JPH1129320A - Nitrogen fixing method in closed system and device for the same - Google Patents

Nitrogen fixing method in closed system and device for the same

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JPH1129320A
JPH1129320A JP18396897A JP18396897A JPH1129320A JP H1129320 A JPH1129320 A JP H1129320A JP 18396897 A JP18396897 A JP 18396897A JP 18396897 A JP18396897 A JP 18396897A JP H1129320 A JPH1129320 A JP H1129320A
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JP
Japan
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ammonia
nitrogen
gas
water
rich
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JP18396897A
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Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Sakamoto
隆幸 坂本
Hiroshi Sakaeda
博 榮田
Keiji Nitta
慶治 新田
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Toyo Engineering Corp
Original Assignee
Toyo Engineering Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method safely fixing nitrogen as ammonium nitrate under a low pressure in a closed system. SOLUTION: Hydrogen obtained by electrolysis of water and nitrogen 1 are processed in a low pressure ammonium synthesis at less than 10 barr, the reaction mixture containing unreacted gas is separated into a gas mixture rich in ammonium and the other gas rich in nitrogen and hydrogen by PSA 6. The gas rich in nitrogen and hydrogen is circulated to ammonium synthesis 5, and a part of the gas rich in ammonium is collected as ammonia water, the catalytic oxidation of the rest and the oxygen generated by electrolysis of water to NO and NO2 us carried out at the ammonium oxidizing tower 8, the reaction mixture is quenched in a quenching tower 9 having a choke up inhibiting system for start.up and shut.down of the ammonium oxidizing tower. The NO2 is absorbed by water in the absorbing tower 10 affording nitric acid, a part of the gas containing No discharged from the NO2 absorbing tower 10 is circulated to ammonium oxidizing tower 8, and the rest is discharged to outside of the system, the ammonium nitrate is produced from ammonia water and nitric acid.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は閉鎖系における窒素
固定方法およびそのための装置に関するものであり、さ
らに詳しくは系外への排出物が最少である窒素固定方法
およびそのための装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for fixing nitrogen in a closed system and an apparatus for the same, and more particularly to a method for fixing nitrogen with a minimum discharge to the outside of the system and an apparatus therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】人間を含む動物が食物として植物を栄養
源としてこれを摂取し、一方では、排泄物を排出する行
為が、歴史的に繰り返されてきた。この行為は、いわゆ
る解放系においてである。
2. Description of the Related Art The act of animals including humans ingesting plants as nutrients as food, while excreting excrement, has been repeated historically. This action is in the so-called liberation system.

【0003】ところで、地上、宇宙空間等を含める閉鎖
系では、自己完結的処理を要求されるため、いわゆるク
ローズド・システムである必要がある。この閉鎖系で
は、窒素も対象の一つとなることはいうまでもないこと
である。その一例として、窒素はアンモニア、硝酸等に
変換され、あるいは硝酸アンモニウムに変換され植物に
肥料として供給される処理方法が考えられている。
In a closed system including the ground, the outer space, and the like, since a self-contained process is required, a so-called closed system is required. It goes without saying that in this closed system, nitrogen is also one of the objects. As an example, a treatment method in which nitrogen is converted into ammonia, nitric acid, or the like, or converted into ammonium nitrate and supplied to plants as fertilizer is considered.

【0004】前記解放系では、アンモニアの合成プロセ
スにおいて、例えば、鉄系触媒を用い300℃、300
バールの高温、高圧下で合成されていることは良く知ら
れたところである。また、硝酸の合成プロセスにおい
て、例えば、白金−Rh系触媒で常圧〜10バール未
満、温度、800℃〜900℃でアンモニアをNOに
し、これを100℃程度に冷却し、NOをほぼ完全にN
2 に酸化し、NO2 を水に吸収させ硝酸を得ている。
In the release system, in an ammonia synthesis process, for example, an iron-based catalyst is used at 300 ° C. and 300 ° C.
It is well known that it is synthesized under high temperature and high pressure of bar. In the process of synthesizing nitric acid, for example, ammonia is converted to NO at a normal pressure of less than 10 bar and a temperature of 800 ° C. to 900 ° C. with a platinum-Rh-based catalyst, and the ammonia is cooled to about 100 ° C. to almost completely reduce NO. N
It is oxidized to O 2 and NO 2 is absorbed in water to obtain nitric acid.

【0005】ところで、自己完結を要求される閉鎖系で
は、アンモニアの合成プロセスおよび硝酸の合成プロセ
スは、必ずしも高温、高圧下である必要はない。むし
ろ、安全面から、高圧ガス取締法の規制を受けない10
bar未満の低圧で、かつ低温で運転されることが望ま
れることがある。
[0005] In a closed system requiring self-completion, the process for synthesizing ammonia and the process for synthesizing nitric acid do not necessarily need to be performed at high temperature and high pressure. Rather, they are not regulated by the High Pressure Gas Control Law from the aspect of safety.
It may be desirable to operate at low pressures below bar and at low temperatures.

【0006】これらのプロセスは上記解放系では、環境
の規制値以下のガスあるいは排水を放出している。ま
た、これらのプロセスを有機的に組み合わせ、大規模に
硝酸アンモニウムを生産すること等は可能である。
[0006] In these processes, the above-mentioned release system emits gas or wastewater below the environmental regulation value. It is also possible to organically combine these processes to produce ammonium nitrate on a large scale.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、閉鎖系で用い
る場合、窒素の一日当たりの処理量が少ないこと、スペ
ースの制限から設置面積および設置容積が制限されるこ
と、ガスおよび排水等はほぼ完全にクローズド・システ
ムを採る必要があること、安全で、かつ、スタート・ア
ップ、定常運転およびショット・ダウンという一連の運
転中にトラブルが発生しないこと等閉鎖系における種々
の制約がある。
However, when used in a closed system, the amount of nitrogen to be treated per day is small, the installation area and the installation volume are limited due to space limitations, and gas and drainage are almost completely eliminated. There are various restrictions in a closed system, such as the need to adopt a closed system, safety, and the absence of trouble during a series of operations such as start-up, steady operation, and shot-down.

【0008】一連の運転中にトラブルが発生しないとい
う観点からいえば、触媒が通常の活性を示すまでに時間
がかかり、硝酸アンモニウムがアンモニア酸化に続くク
エンチ塔の特に塔上部に蓄積し、クエンチ塔を閉塞する
等の不具合が生じることがあった。
From the viewpoint that no trouble occurs during a series of operations, it takes time for the catalyst to exhibit normal activity, and ammonium nitrate accumulates particularly in the upper part of the quench column following the ammonia oxidation, and the quench column is removed. Problems such as blockage sometimes occurred.

【0009】また、別の観点から安全上系内圧力は、1
0バール未満に保ち、かつ、窒素、水素、アンモニア、
一酸化窒素、二酸化窒素、酸素等の混合ガスが爆発限界
外の運転条件で運転され、上記混合ガス中の一酸化窒素
等を減少する必要があった。
From another viewpoint, the pressure in the system is 1 for safety.
0 bar and nitrogen, hydrogen, ammonia,
A mixed gas of nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, oxygen and the like was operated under operating conditions outside the explosion limit, and it was necessary to reduce nitrogen monoxide and the like in the mixed gas.

【0010】本発明の目的は、閉鎖系内において、低い
圧力において安全に、かつ、閉鎖系外への排出物を最少
にして窒素を硝酸アンモニウムとして固定する方法およ
びそのための装置を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for fixing nitrogen as ammonium nitrate safely in a closed system at a low pressure and with a minimum of discharge outside the closed system. .

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、下
記の閉鎖系における窒素固定方法および窒素固定装置に
より解決される。
The above object of the present invention is attained by the following method and apparatus for fixing nitrogen in a closed system.

【0012】1.窒素と、水の電気分解により生成され
る水素とを10バール未満の圧力下にアンモニア合成に
付す工程、得られたアンモニア、未反応窒素および未反
応水素とを含有する反応混合物を圧力スイング吸着に付
してアンモニアに富むガスと窒素および水素に富むガス
とに分離する工程、窒素および水素に富むガスをアンモ
ニア合成工程に循環する工程、アンモニアに富むガスの
一部を水で洗浄してガス中のアンモニアをアンモニア水
として回収する工程、アンモニアに富むガスの残部を水
の電気分解により生成される酸素ガスとともに触媒に接
触させてアンモニアを一酸化窒素および二酸化窒素に酸
化する工程、得られた反応混合物を、アンモニア酸化工
程のスタート・アップ時の詰まり防止機能を有するクエ
ンチ域においてクエンチする工程、クエンチされた反応
混合物をついで水で洗浄して二酸化窒素を吸収して硝酸
とする工程、この吸収工程からの一酸化窒素を含有する
排ガスの一部を系外に排出して一酸化窒素を除去する工
程、排ガスの残部をアンモニア酸化工程へ循環する工
程、およびこうして得られたアンモニア水と硝酸とを反
応させて硝酸アンモニウムを製造する工程を含むことを
特徴とする閉鎖系における窒素固定方法。
1. Subjecting the nitrogen and hydrogen produced by the electrolysis of water to ammonia synthesis under a pressure of less than 10 bar, and subjecting the resulting reaction mixture containing ammonia, unreacted nitrogen and unreacted hydrogen to pressure swing adsorption. And separating the gas rich in ammonia and the gas rich in nitrogen and hydrogen, circulating the gas rich in nitrogen and hydrogen to the ammonia synthesis process, washing a part of the gas rich in ammonia with water Recovering the ammonia as ammonia water, contacting the remainder of the ammonia-rich gas with a catalyst together with oxygen gas generated by the electrolysis of water to oxidize the ammonia to nitric oxide and nitrogen dioxide, the resulting reaction Quenching the mixture in a quench zone having a clogging prevention function at the start-up of the ammonia oxidation step, The quenched reaction mixture is then washed with water to absorb nitrogen dioxide to form nitric acid, and a portion of the exhaust gas containing nitric oxide from this absorption step is discharged out of the system to remove nitric oxide. A step of circulating the remainder of the exhaust gas to the step of oxidizing ammonia and a step of reacting the aqueous ammonia thus obtained with nitric acid to produce ammonium nitrate.

【0013】2.該スタート・アップ時の詰まり防止機
能が、クエンチさるべき反応混合物の流れ方向と逆行す
るように水をスプレーするものである上記1に記載の方
法。
2. The method of claim 1, wherein the function of preventing clogging at start-up is to spray water in a direction opposite to the flow direction of the reaction mixture to be quenched.

【0014】3.窒素と、水の電気分解により生成され
る水素とを10バール未満の圧力下にアンモニアに転化
するためのアンモニア合成手段、このアンモニア合成手
段からの反応混合物をアンモニアに富むガスと窒素およ
び水素に富むガスとに富むガスとに分離するための圧力
スイング吸着手段、この窒素および水素に富むガスをア
ンモニア合成手段に循環するための手段、該アンモニア
に富むガスの一部を水で洗浄することによりアンモニア
を吸収してアンモニア水とするための手段、該アンモニ
アに富むガスの残部を水の電気分解により生成された酸
素ガスとともに触媒に接触させて一酸化窒素および二酸
化窒素に転化するための手段、得られた反応混合物をク
エンチするための、アンモニア酸化のスタート・アップ
時の詰まり防止機構を有するクエンチ手段、クエンチさ
れた反応混物中の二酸化窒素を水で吸収して硝酸とする
ための手段、この吸収手段から排出される排ガスの一部
を、その中に含有される一酸化窒素を処理するために系
外に排出するための手段、排ガスの残部をアンモニア酸
化手段へ循環するための手段、およびこうして得られた
アンモニア水と硝酸とを反応させて硝酸アンモニウムを
製造するための手段を含むことを特徴とする閉鎖系にお
ける窒素固定装置。
3. Ammonia synthesis means for converting nitrogen and hydrogen produced by the electrolysis of water to ammonia under a pressure of less than 10 bar, the reaction mixture from this ammonia synthesis means being enriched in ammonia-rich gas and nitrogen and hydrogen Pressure swing adsorption means for separating gas and rich gas, means for circulating this nitrogen and hydrogen rich gas to ammonia synthesis means, ammonia by washing a part of the ammonia rich gas with water Means for absorbing ammonia into ammonia water, means for bringing the remainder of the ammonia-rich gas into contact with a catalyst together with oxygen gas generated by electrolysis of water to convert it into nitric oxide and nitrogen dioxide, With a clogging prevention mechanism at the start-up of ammonia oxidation to quench the reaction mixture Means, means for absorbing nitrogen dioxide in the quenched reaction mixture with water to form nitric acid, and treating a part of exhaust gas discharged from the absorbing means with nitric oxide contained therein Means for circulating the remainder of the exhaust gas to the ammonia oxidizing means, and means for producing ammonium nitrate by reacting the ammonia water thus obtained with nitric acid. A nitrogen fixer in a closed system, characterized by:

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明を図1および図2を参照し
て詳細に説明する。図1は本発明の一実施態様を示すフ
ローシートで、図2は本発明のクエンチ工程におけるス
タート・アップおよびシャット・ダウン時におけるクエ
ンチ塔の詰まりを防止するための方法を示す略示図であ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a flow sheet showing one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a method for preventing clogging of a quench tower during start-up and shut-down in a quench step of the present invention. .

【0016】図1において、閉鎖系の外から供給される
窒素1がライン11を通って、また後述する水の電気分
解装置4からの水素がライン12を通って合流され、ラ
イン13を通って、圧力スイング吸着(以下PSAとい
う)装置6からの窒素と水素とに富んだガスがライン1
4を通って合流され、ライン15を通って圧縮機3に供
給される。電気分解装置4には閉鎖系の外から水2がラ
イン23を通って供給され、水素と酸素とに電気分解さ
れる。
In FIG. 1, nitrogen 1 supplied from outside the closed system is passed through a line 11, and hydrogen from a water electrolyzer 4, which will be described later, is joined through a line 12 and passed through a line 13. And a gas rich in nitrogen and hydrogen from pressure swing adsorption (hereinafter referred to as PSA)
4 and is fed to the compressor 3 through a line 15. Water 2 is supplied to the electrolyzer 4 from outside the closed system through a line 23 and electrolyzed to hydrogen and oxygen.

【0017】圧縮機3により10バール未満の圧力に昇
圧された、窒素と水素のモル比が1:3の混合ガスは、
ライン16を通ってアンモニア合成塔5に導入される。
アンモニア合成塔5にはRu触媒が充填されており、ガ
スはこの触媒と300〜400℃の温度において接触し
て、反応混合物中に2〜4vol.%の濃度でアンモニ
アが合成される。
A mixed gas having a molar ratio of nitrogen to hydrogen of 1: 3, which has been pressurized by the compressor 3 to a pressure of less than 10 bar,
It is introduced into the ammonia synthesis tower 5 through the line 16.
The ammonia synthesis tower 5 is filled with a Ru catalyst, and the gas comes into contact with the catalyst at a temperature of 300 to 400 ° C., and 2 to 4 vol. % Ammonia is synthesized.

【0018】アンモニア合成塔5を出た、アンモニアと
未反応窒素および未反応水素とからなる反応混合物はP
SA装置に導入され、ここでPSA法により窒素と水素
とに富むガスと、アンモニアに富むガス、好ましくは6
0vol.%以上、好ましくは80vol.%以上、特
に好ましくは90vol.%以上のアンモニアを含むガ
スとに分離される。PSA法としては、先に本発明者ら
の一人が出願した特開平6−296819号公報に開示
したアンモニア分離用の圧力スイング装置およびアンモ
ニア分離方法、あるいは特願平9−11391号に開示
した、常圧以上の圧力を有する吸着成分を含む混合ガス
から吸着成分を少なくとも一段でPSA法で分離するに
当って、処理対象である混合ガスと同一の圧力下で、同
一のステップ中に再生工程にある吸着塔から負圧下で脱
離した吸着成分を他の吸着塔の環流に用いる改良法のい
ずれかを用いることができる。
The reaction mixture comprising ammonia, unreacted nitrogen and unreacted hydrogen that has exited the ammonia synthesis tower 5 is P
It is introduced into a SA device, where a gas rich in nitrogen and hydrogen and a gas rich in ammonia, preferably 6
0 vol. % Or more, preferably 80 vol. % Or more, particularly preferably 90 vol. % Ammonia. As the PSA method, a pressure swing apparatus for ammonia separation and an ammonia separation method disclosed in JP-A-6-296819, which was previously filed by one of the present inventors, or disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 9-11391, In separating the adsorbed component from the mixed gas containing the adsorbed component having a pressure equal to or higher than normal pressure by the PSA method in at least one stage, under the same pressure as the mixed gas to be treated, in the same step, the regeneration process is performed. Any of the improved methods in which the adsorbed component desorbed from one adsorption tower under negative pressure is used for reflux in another adsorption tower can be used.

【0019】PSA装置6からの窒素および水素に富む
ガスは前記のように、ライン14、15を通って圧縮機
3の収入側へ送られる。循環比は10〜20が選択され
る。
The nitrogen and hydrogen rich gas from the PSA unit 6 is sent through lines 14, 15 to the income side of the compressor 3, as described above. The circulation ratio is selected from 10 to 20.

【0020】一方、PSA装置6からのアンモニアに富
むガスの一部はライン19を通ってアンモニア吸収塔7
に導入され、ここでライン24および27を通って塔頂
部に供給される水によりガス中のアンモニアが吸収さ
れ、塔頂からは少量のアンモニアを含む排ガス(窒素と
水素)が取り出され、ライン21、22、32および3
3を経てアンモニア酸化塔8に送られる。
On the other hand, a part of the ammonia-rich gas from the PSA device 6 passes through the line 19 and passes through the ammonia absorption tower 7.
Where water supplied to the tower top through lines 24 and 27 absorbs ammonia in the gas, and exhaust gas (nitrogen and hydrogen) containing a small amount of ammonia is taken out from the tower, and , 22, 32 and 3
After passing through 3, it is sent to the ammonia oxidation tower 8.

【0021】一方、アンモニアに富むガスの残部はライ
ン20を経て、ライン31からの後記排ガスとともにラ
イン32および33を経てアンモニア酸化塔8に送られ
る。
On the other hand, the remainder of the ammonia-rich gas is sent to the ammonia oxidation column 8 via lines 32 and 33 together with the following exhaust gas from line 31 via the line 20.

【0022】ライン19およびライン20のガス量の比
は、容量で前者1に対して後者0.5〜1.5、特に
1.0近傍が選択される。
The ratio of the gas amount in the line 19 to the gas amount in the line 20 is selected to be 0.5 to 1.5, particularly around 1.0, with respect to the former in terms of capacity.

【0023】アンモニア酸化塔8では、触媒として白金
系触媒、例えば90%Pt−10%Rh触媒が用いられ
ており、定常状態では、温度が650℃〜850℃、圧
力が1.7〜4.0バールであり、ここでアンモニア
が、電気分解装置4からライン26および33を通って
供給される酸素により一酸化窒素および二酸化窒素に転
化される。
In the ammonia oxidation tower 8, a platinum-based catalyst, for example, a 90% Pt-10% Rh catalyst is used as a catalyst. In a steady state, the temperature is 650 ° C. to 850 ° C. and the pressure is 1.7 to 4. 0 bar, where ammonia is converted to nitric oxide and nitrogen dioxide by oxygen supplied from electrolyzer 4 through lines 26 and 33.

【0024】アンモニア酸化塔8からの反応混合物はラ
イン34を通ってクエンチ塔9に導入され、ここで水を
噴射することによりクエンチされ、この際一酸化窒素は
酸素と反応して二酸化窒素となり、さらにライン35を
通って二酸化窒素吸収塔10に送られ、ここで1.7バ
ールないし10バール未満の圧力でライン24および2
8を通って供給される水2と接触して二酸化窒素が水に
吸収され硝酸となる。
The reaction mixture from the ammonia oxidation tower 8 is introduced into the quench tower 9 via line 34, where it is quenched by injecting water, where the nitric oxide reacts with oxygen to form nitrogen dioxide, It is further passed through line 35 to the nitrogen dioxide absorption tower 10 where the pressure in the lines 24 and 2 is less than 1.7 bar and less than 10 bar.
Nitrogen dioxide comes into contact with the water 2 fed through 8 and becomes nitric acid.

【0025】ところで、アンモニア酸化塔において、ス
タート・アップ時には徐々に所定の反応温度に達するた
め、触媒は、100%の性能を発揮する訳ではなく、ラ
イン34でアンモニアとNO2 ガスおよびNOガスとが
共存することがある。ライン34からクエンチ塔9に供
給されるガスを急冷すると、ライン34およびクエンチ
塔9の入り口に硝酸アンモニウムが析出することがあ
り、次第に系内を閉塞し運転が不能になるかあるいは完
全に系内を閉鎖しないまでも系内の質量バランスがとれ
ない等の不具合を生じることがあった。この不具合を防
止するため、スタート・アップおよびシャット・ダウン
用の詰まり防止機構が設けられる。この機構は図2に示
されるように、クエンチ塔9の上部を保温材90で覆っ
てその塔の表面温度を230℃〜240℃に維持しなが
ら上記ガスの流れに逆行するように水をスプレーするも
のである。図2においてライン91から水2が供給さ
れ、スプレー93から水滴94としてガス92の流れに
逆行するようにスプレーされる。スプレーは、市販のホ
ロコーン型のものが使用できる。
By the way, in the ammonia oxidation tower, to reach gradually predetermined reaction temperature during start-up, the catalyst, not to exert 100% efficiency, ammonia and NO 2 gas and NO gas in line 34 May coexist. When the gas supplied from the line 34 to the quench tower 9 is quenched, ammonium nitrate may precipitate at the line 34 and at the inlet of the quench tower 9, and the system may be gradually clogged and operation may become impossible, or the system may be completely exhausted. Even if the system is not closed, there may be a problem that the mass in the system cannot be balanced. In order to prevent this problem, a clogging prevention mechanism for starting up and shutting down is provided. As shown in FIG. 2, this mechanism sprays water so as to reverse the flow of the gas while covering the upper part of the quench tower 9 with a heat insulating material 90 and maintaining the surface temperature of the tower at 230 ° C. to 240 ° C. Is what you do. In FIG. 2, water 2 is supplied from a line 91 and sprayed from a spray 93 as a water droplet 94 so as to go back to the flow of the gas 92. A commercially available hollow cone type spray can be used.

【0026】また、水の使用量はガス92の流量の1リ
ッター当たりに対し40cc〜50ccでよい。
The amount of water used may be 40 cc to 50 cc per liter of the flow rate of the gas 92.

【0027】なお、定常状態に達すると、ライン34で
はアンモニアがほぼ存在しないため、通常のクエンチ塔
として用いればよい。通常のクエンチ塔として用いる場
合、図2にしめすようにガスと向流でスプレーをしても
よいし、図2に記載していないが、別途設けたスプレー
でガスと並流でスプレーをしてもよい。
When the steady state is reached, there is almost no ammonia in the line 34, so that it can be used as a normal quench tower. When used as a normal quench tower, it may be sprayed in countercurrent to the gas as shown in FIG. 2 or not shown in FIG. 2, but sprayed in parallel with the gas using a separately provided spray. Is also good.

【0028】要は、アンモニアが存在する間は、クエン
チ塔の塔頂部を硝酸アンモニウムの分解温度以上に保持
し、硝酸アンモニウムの析出を防止しつつ、ガスと水と
を接触効率の良い向流で接触させればよいのである。
In short, while ammonia is present, the top of the quench tower is kept at a temperature higher than the decomposition temperature of ammonium nitrate to prevent the precipitation of ammonium nitrate and bring the gas and water into contact with each other in a countercurrent flow with good contact efficiency. I just need to.

【0029】二酸化窒素吸収塔10の塔頂からは一酸化
窒素、窒素および酸素を含有する排ガスが排出され、こ
の排ガスはライン30とライン31とに分岐される。ラ
イン30のガスは系外へ排出されて別途処理される。ラ
イン31からの排ガスは前記のようにアンモニア酸化塔
8に循環される。
Exhaust gas containing nitrogen monoxide, nitrogen and oxygen is discharged from the top of the nitrogen dioxide absorption tower 10, and this exhaust gas is branched into a line 30 and a line 31. The gas in the line 30 is discharged out of the system and is separately processed. The exhaust gas from the line 31 is circulated to the ammonia oxidation tower 8 as described above.

【0030】ライン31からアンモニア酸化塔8に循環
される排ガスの量は、アンモニア酸化塔8に供給される
ガスが爆発限界内に入らないように設定される。排ガス
の循環量は具体的には系外へ排出される排ガス量を1と
したとき、循環される排ガス量は20〜40とするのが
好ましい。20未満では運転の変動により、前述のライ
ン26から供給される酸素およびライン31からリサイ
クルされる酸素との合流によって決定されるライン33
における酸素濃度が、爆発限界値に近づく恐れがあるた
め、また、N0xの反応が平衡に達していないことがあ
り避けるべきである。また、40を越えてもライン33
における酸素濃度が、爆発限界値に近づく恐れがない
が、N0xの反応が平衡に達し変わることがないため、
省エネルギーの観点から避けるべきである。
The amount of exhaust gas circulated from the line 31 to the ammonia oxidation tower 8 is set so that the gas supplied to the ammonia oxidation tower 8 does not fall within the explosion limit. Specifically, the amount of exhaust gas circulated is preferably 20 to 40, when the amount of exhaust gas discharged outside the system is set to 1. If it is less than 20, the line 33 determined by the confluence of the oxygen supplied from the above-mentioned line 26 and the oxygen recycled from the line 31 due to the fluctuation of the operation.
Should be avoided because the oxygen concentration at may reach the explosion limit, and the reaction of NOx may not reach equilibrium. Also, even if it exceeds 40, the line 33
Although there is no danger that the oxygen concentration at will approach the explosion limit, the reaction of NOx will not reach equilibrium and change,
It should be avoided from the viewpoint of energy saving.

【0031】上記のようにして得られたアンモニアおよ
び硝酸は、それぞれアンモニア吸収塔7および二酸化窒
素吸収塔10の塔底から抜き出されて貯蔵され、必要に
応じて両者を反応させ硝酸アンモニウム水溶液とし、こ
のままあるいは水を蒸発して固体の硝酸アンモニウムと
して系外において使用される。なお、硝酸アンモニウム
水溶液を蒸発した場合には蒸発水は凝縮してアンモニア
吸収塔および/または二酸化窒素吸収塔などで吸収媒体
として使用することができる。
The ammonia and nitric acid obtained as described above are withdrawn from the bottoms of the ammonia absorption tower 7 and the nitrogen dioxide absorption tower 10 and stored, respectively, and if necessary, reacted to form an aqueous ammonium nitrate solution. It is used as it is or by evaporating water as solid ammonium nitrate outside the system. When the aqueous ammonium nitrate solution is evaporated, the evaporated water can be condensed and used as an absorption medium in an ammonia absorption tower and / or a nitrogen dioxide absorption tower.

【0032】[0032]

【実施例】以下に実施例および比較例を示して本発明を
具体的に説明する。しかしながら、本発明がこれら実施
例にのみ限定されることがないのは、いうまでもないこ
とである。 実施例1 図1に従って、まずスタート・アップ時について説明す
る。窒素1の流量は、7.82リッター/時であり、水
2が電気分解装置4により分解され発生した水素は1.
74リッター/時であった。これらとライン14からリ
サイクルされたガス337.4リッター/時とを併せて
圧縮機3に供給し、Ru系触媒が充填されたアンモニア
合成塔5に供給した。アンモニア合成塔5の反応条件
は、定常状態時、圧力3.8バール、温度325℃に設
定された。この時の合成率は、合成塔出口ガス中のアン
モニア濃度として容量ベースで2.95%であった。
The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples. However, it goes without saying that the invention is not limited only to these examples. First Embodiment A start-up operation will be described first with reference to FIG. The flow rate of the nitrogen 1 was 7.82 liters / hour, and the hydrogen generated by the decomposition of the water 2 by the electrolyzer 4 was 1.
It was 74 liters / hour. These and 337.4 liters / hour of gas recycled from the line 14 were supplied to the compressor 3 together, and supplied to the ammonia synthesis tower 5 filled with a Ru-based catalyst. The reaction conditions of the ammonia synthesis tower 5 were set to a pressure of 3.8 bar and a temperature of 325 ° C. in a steady state. The synthesis rate at this time was 2.95% on a volume basis as the ammonia concentration in the outlet gas of the synthesis tower.

【0033】PSA装置6で窒素および水素に富むガス
とアンモニアに富むガスとに分けた。窒素および水素に
富むガスはライン14を通り圧縮機3に供給した。アン
モニアに富むガスは、ライン18からライン19および
ライン20に分岐された。ライン19とライン20との
分岐割合は1対1であった。
The PSA device 6 separated the gas into a gas rich in nitrogen and hydrogen and a gas rich in ammonia. The gas rich in nitrogen and hydrogen was supplied to the compressor 3 via line 14. The ammonia-rich gas was branched from line 18 to lines 19 and 20. The branch ratio between the line 19 and the line 20 was 1: 1.

【0034】ライン19に分岐されたアンモニアに富む
ガスはその中のアンモニアがアンモニア吸収塔7で、
1.7バール、25℃の条件下で吸収され、10%のア
ンモニア水溶液として回収された。アンモニア吸収塔7
の塔頂ガスは、ライン20に分岐されたアンモニアに富
むガスは後述の二酸化窒素吸収塔10の塔頂からの排ガ
スおよびライン26から供給される酸素ガスと合流し、
アンモニア酸化塔8に供給された。アンモニア酸化塔8
には、90%Pt−10%Rh系の触媒が充填されてお
り、反応条件は、定常状態時、反応温度750℃、反応
圧力1.7バールに設定された。定常状態に達するまで
の中間値を表1に示す。
The ammonia-rich gas branched into the line 19 contains ammonia in the ammonia absorption tower 7
It was absorbed under conditions of 1.7 bar and 25 ° C. and recovered as a 10% aqueous ammonia solution. Ammonia absorption tower 7
The top gas of the above is that the ammonia-rich gas branched into the line 20 merges with the exhaust gas from the top of the nitrogen dioxide absorption tower 10 described later and the oxygen gas supplied from the line 26,
It was supplied to the ammonia oxidation tower 8. Ammonia oxidation tower 8
Was filled with a 90% Pt-10% Rh-based catalyst, and the reaction conditions were set to a reaction temperature of 750 ° C. and a reaction pressure of 1.7 bar in a steady state. Table 1 shows the intermediate values up to the steady state.

【0035】スタート・アップ時には、アンモニア酸化
塔8の出口ガスは、クエンチ塔9に導入され、ここで図
2に示すライン91から水が7.8リッター/時でスプ
レーされた。なお、スプレーは、口径、0.4mmのホ
ロコーン型のものを用いた。
At start-up, the outlet gas of the ammonia oxidation tower 8 was introduced into the quench tower 9, where water was sprayed at 7.8 liters / hour from the line 91 shown in FIG. The spray used was a hollow cone type having a diameter of 0.4 mm.

【0036】二酸化窒素吸収塔10の塔頂のライン28
から水が0.06リッター/時で供給され、1.7バー
ル、25℃の条件下でNO2ガスが吸収され、硝酸とさ
れた。
The top line 28 of the nitrogen dioxide absorption tower 10
, Water was supplied at 0.06 liters / hour, and under conditions of 1.7 bar and 25 ° C., NO 2 gas was absorbed and converted to nitric acid.

【0037】二酸化窒素吸収塔10の塔頂からNOに富
むガスが、ライン29を通りライン30およびライン3
1に分岐された。ライン31に分岐される量とライン3
0量との比は、33.8に設定した。
From the top of the nitrogen dioxide absorption tower 10, a gas rich in NO passes through a line 29, a line 30 and a line 3.
Branched to 1. The amount branched to line 31 and line 3
The ratio with the zero amount was set to 33.8.

【0038】上記定常状態に達するまでの運転条件の1
例と運転結果を表1に記載する。 実施例2 実施例1において、設定した条件に達し、定常状態にな
ったので、クエンチ塔9の詰まり防止機能を停止し、別
途設けられたスプレーでガスを並流でスプレーした以外
は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に記載す
る。 実施例3 実施例2のPSA装置出口ガスのアンモニアを62.5
%から96.9%に替え、クエンチ塔でのスプレー量を
7.8Nl/hから10.3Nl/hに替え、ライン3
1に分岐される量とライン30に分岐される量との比を
23.3に替えて実施した。運転条件と結果を表1に併
記する。 比較例1 実施例1のクエンチ塔9の詰まり防止機能を停止したま
ま、別途設けられたスプレーでガスを並流でスプレーし
スタート・アップした以外は、実施例1と同様に実施し
た。定常状態に達する前にライン34およびクエンチ塔
9間に詰まりが生じる場合があった。この時には、運転
が継続できなくなり、運転を停止した。
One of the operating conditions until the above steady state is reached
Examples and operating results are listed in Table 1. Example 2 In Example 1, the set conditions were reached and a steady state was reached. Therefore, the clogging tower 9 clogging prevention function was stopped, and the gas was sprayed in parallel with a separately provided spray. Performed in a similar manner to 1. The results are shown in Table 1. Example 3 Ammonia gas at the outlet of the PSA device of Example 2 was 62.5%.
% To 96.9%, the spray amount in the quench tower was changed from 7.8 Nl / h to 10.3 Nl / h, and line 3
The ratio of the amount branched to 1 to the amount branched to the line 30 was changed to 23.3, and the measurement was performed. The operating conditions and results are also shown in Table 1. Comparative Example 1 The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the clogging tower 9 of Example 1 was started up by spraying the gas in parallel with a separately provided spray while stopping the clogging prevention function of the quench tower 9. Before the steady state was reached, clogging between line 34 and quench tower 9 could occur. At this time, the operation could not be continued, and the operation was stopped.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、以下に記載の効果があ
る。 (1)クエンチ塔がスタート・アップおよびシャット・
ダウン用の詰まり防止機能を有するため、スタート・ア
ップおよびシャット・ダウン時の不具合がなくなった。
そのため、スタート・アップ、定常運転およびシャット
・ダウンという一連の運転中にトラブルが発生しない。 (2)硝酸吸収塔の塔頂からの排ガスをアンモニア酸化
塔へリサイクルすることにより系外に排出されるNOガ
スの量が、極めて少なくてすむ。 (3)閉鎖系における窒素の固定をアンモニア、硝酸お
よび硝酸アンモニウムの形態でできるため、閉鎖系にお
いてこれらを必要とする場所に別途供給することが可能
となった。
According to the present invention, the following effects can be obtained. (1) The quench tower starts up and shuts down.
With the function to prevent clogging for down, problems at start-up and shutdown are eliminated.
Therefore, no trouble occurs during a series of operations such as start-up, steady operation, and shutdown. (2) The amount of NO gas discharged outside the system by recycling the exhaust gas from the top of the nitric acid absorption tower to the ammonia oxidation tower can be extremely small. (3) Since nitrogen can be fixed in a closed system in the form of ammonia, nitric acid, and ammonium nitrate, it has become possible to separately supply these to places where they are needed in a closed system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施態様を示すフローシートであ
る。
FIG. 1 is a flow sheet showing one embodiment of the present invention.

【図2】本発明のガスクエンチ工程におけるスタート・
アップおよびシャット・ダウン時におけるクエンチ塔の
詰まりを防止するための機構を示す略示図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the start and start of the gas quenching process of the present invention
It is a schematic diagram showing a mechanism for preventing clogging of a quench tower at the time of up and shut down.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 窒素 2 水 3 圧縮機 4 電気分解装置 5 アンモニア合成塔 6 PSA装置 7 アンモニア吸収塔 8 アンモニア酸化塔 9 クエンチ塔 10 二酸化窒素吸収塔 90 保温材 92 ガス 93 スプレー 94 液滴 11〜35、91 ライン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nitrogen 2 Water 3 Compressor 4 Electrolysis apparatus 5 Ammonia synthesis tower 6 PSA apparatus 7 Ammonia absorption tower 8 Ammonia oxidation tower 9 Quenching tower 10 Nitrogen dioxide absorption tower 90 Heat insulating material 92 Gas 93 Spray 94 Droplets 11 to 35, 91 lines

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新田 慶治 青森県三沢市大字三沢字下久保25−18ハイ ム中田A ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Keiji Nitta 25-18 Shimokubo, Misawa-shi, Aomori Prefecture

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素と、水の電気分解により生成される
水素とを、10バール未満の圧力下にアンモニア合成に
付す工程、得られたアンモニア、未反応窒素および未反
応水素とを含有する反応混合物を圧力スイング吸着に付
してアンモニアに富むガスと窒素および水素に富むガス
とに分離する工程、窒素および水素に富むガスをアンモ
ニア合成工程に循環する工程、アンモニアに富むガスの
一部を水で洗浄してガス中のアンモニアをアンモニア水
として回収する工程、アンモニアに富むガスの残部を水
の電気分解により生成される酸素ガスとともに触媒に接
触させてアンモニアを一酸化窒素および二酸化窒素に酸
化する工程、得られた反応混合物を、アンモニア酸化工
程のスタート・アップ時の詰まり防止機能を有するクエ
ンチ域においてクエンチする工程、クエンチされた反応
混合物をついで水で洗浄して二酸化窒素を吸収して硝酸
とする工程、この吸収工程からの一酸化窒素を含有する
排ガスの一部を系外に排出して一酸化窒素を除去する工
程、排ガスの残部をアンモニア酸化工程へ循環する工
程、およびこうして得られたアンモニア水と硝酸とを反
応させて硝酸アンモニウムを製造する工程を含むことを
特徴とする閉鎖系における窒素固定方法。
1. A step of subjecting nitrogen and hydrogen produced by the electrolysis of water to ammonia synthesis under a pressure of less than 10 bar, a reaction comprising the obtained ammonia, unreacted nitrogen and unreacted hydrogen. Subjecting the mixture to pressure swing adsorption to separate ammonia-rich gas and nitrogen and hydrogen-rich gas, circulating nitrogen and hydrogen-rich gas to the ammonia synthesis process, and removing part of the ammonia-rich gas with water. Recovering the ammonia in the gas as aqueous ammonia by washing with ammonia, and oxidizing the ammonia to nitrogen monoxide and nitrogen dioxide by contacting the remainder of the ammonia-rich gas with a catalyst together with oxygen gas generated by electrolysis of water The process and the resulting reaction mixture are quenched in a quench zone that has A process of washing the quenched reaction mixture with water to absorb nitrogen dioxide to make nitric acid, and discharging a part of the exhaust gas containing nitric oxide from the absorption process to the outside of the system. Nitrogen fixation in a closed system comprising a step of removing nitrogen oxide, a step of circulating the remainder of the exhaust gas to an ammonia oxidation step, and a step of reacting the ammonia water thus obtained with nitric acid to produce ammonium nitrate. Method.
【請求項2】 該スタート・アップ用の詰まり防止機能
がクエンチさるべき反応混合物の流れ方向と逆行するよ
うに水をスプレーするものである請求項1に記載の方
法。
2. The method according to claim 1, wherein the start-up anti-clogging function is to spray water in a direction opposite to the flow direction of the reaction mixture to be quenched.
【請求項3】 窒素と、水の電気分解により生成される
水素とを10バール未満の圧力下にアンモニアに転化す
るためのアンモニア合成手段、このアンモニア合成手段
からの反応混合物をアンモニアに富むガスと窒素および
水素に富むガスとに富むガスとに分離するための圧力ス
イング吸着手段、この窒素および水素に富むガスをアン
モニア合成手段に循環するための手段、該アンモニアに
富むガスの一部を水で洗浄することによりアンモニアを
吸収してアンモニア水とするための手段、該アンモニア
に富むガスの残部を水の電気分解により生成された酸素
ガスとともに触媒に接触させて一酸化窒素および二酸化
窒素に転化するための手段、得られた反応混合物をクエ
ンチするための、アンモニア酸化のスタート・アップ時
の詰まり防止機構を有するクエンチ手段、クエンチされ
た反応混合物中の二酸化窒素を水で吸収して硝酸とする
ための手段、該吸収手段から排出される排ガスの一部
を、その中に含有される一酸化窒素を処理するために系
外に排出するための手段、排ガスの残部をアンモニア酸
化手段へ循環するための手段、およびこうして得られた
アンモニア水と硝酸とを反応させて硝酸アンモニウムを
製造するための手段を含むことを特徴とする閉鎖系にお
ける窒素固定装置。
3. Ammonia synthesis means for converting nitrogen and hydrogen produced by the electrolysis of water to ammonia under a pressure of less than 10 bar, the reaction mixture from the ammonia synthesis means being combined with an ammonia-rich gas. A pressure swing adsorption means for separating into a gas rich in nitrogen and hydrogen, a means for circulating the gas rich in nitrogen and hydrogen to an ammonia synthesizing means, and a part of the gas rich in ammonia with water. A means for absorbing ammonia by washing to make ammonia water, the rest of the ammonia-rich gas being brought into contact with a catalyst together with oxygen gas generated by electrolysis of water to be converted to nitric oxide and nitrogen dioxide And a mechanism to prevent clogging during the start-up of ammonia oxidation to quench the resulting reaction mixture. Quenching means, means for absorbing nitrogen dioxide in a quenched reaction mixture with water to form nitric acid, and treating a part of exhaust gas discharged from the absorbing means with nitric oxide contained therein Means for circulating the remainder of the exhaust gas to the ammonia oxidation means, and means for producing ammonium nitrate by reacting the ammonia water thus obtained with nitric acid. A nitrogen fixing device in a closed system, characterized in that:
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