WO1991016266A1 - VERFAHREN ZUM ABKÜHLEN DES NOx-HALTIGEN GASGEMISCHES EINER SALPETERSÄUREHERSTELLUNGSANLAGE UND VORRICHTUNG ZUM DURCHFÜHREN DIESES VERFAHRENS - Google Patents

VERFAHREN ZUM ABKÜHLEN DES NOx-HALTIGEN GASGEMISCHES EINER SALPETERSÄUREHERSTELLUNGSANLAGE UND VORRICHTUNG ZUM DURCHFÜHREN DIESES VERFAHRENS Download PDF

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WO1991016266A1
WO1991016266A1 PCT/EP1991/000783 EP9100783W WO9116266A1 WO 1991016266 A1 WO1991016266 A1 WO 1991016266A1 EP 9100783 W EP9100783 W EP 9100783W WO 9116266 A1 WO9116266 A1 WO 9116266A1
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steam
heat
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PCT/EP1991/000783
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Inventor
Peter Theissing
Claus Flockenhaus
Original Assignee
Deutsche Engineering Der Voest-Alpine Industrieanlagenbau Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/20—Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
    • C01B21/38—Nitric acid
    • C01B21/40—Preparation by absorption of oxides of nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling the NO-containing gas mixture of a nitric acid production plant, in which the NO-containing gas mixture is generated on at least one catalyst, using the heat released during cooling, in particular for generating steam and / or for at least partially warming up the tail gas emerging from the at least one absorber downstream of the cooling of the NO-containing gas mixture, and a device for carrying out this method.
  • a gas mixture of, essentially, NH 2 and an oxygen-containing gas or gas mixture, in particular air is preferably introduced into the NO - on at least one catalyst.
  • containing gas mixture converts; "Fabrics" (networks) made of platinum or a platinum / rhodium alloy or similar are preferred as catalysts.
  • the devices to be used according to the invention are preferably those in which a first heat exchanger consisting of at least one tube spiral is provided from radially spaced-apart heat exchanger tubes in such a way that the area of the spiral center remains free of the at least one tube spiral and the NO-containing gas mixture can flow through the at least one tube spiral essentially in the direction of the spiral axis; in the known heat exchangers of this type, the area of the spiral center is essentially closed, so that it is not flowed through.
  • the NO-containing gas mixture produced on the catalytic converter in nitric acid production plant is known to consist primarily of NO, H-, 0 ", and H" 0 and is initially at a relatively high temperature which is established on the catalyst as a result of the heat of reaction.
  • this gas mixture is cooled, the NO component is increasingly oxidized to NO. This oxidation is accompanied by a significant exotherm. Both the sensible heat from the conversion step and the heat of oxidation are released in several cooling stages using this heat. Once the taup. If the NO ⁇ content gas is not reached, nitric acid condensate is formed. Under the given boundary conditions, the condensers used for this partial cooling step are not suitable for enabling a complete, acceptable conversion to nitric acid.
  • Absorption columns are therefore used in which NO water is absorbed by water with the formation of nitric acid.
  • the efficiency of the tail gas expander (about 38% at a pressure of about 10 bar) is comparatively cheap.
  • the cooling of the NO-containing gas mixture can, however, not only be achieved by heating the tail gas, rather cooling with the generation of steam is also possible.
  • “generation” of steam is understood to mean any introduction of energy into the steam generation system, that is to say essentially the feed water heating, the actual evaporation and / or the steam superheating.
  • steam is generated, a substantial part of the total amount of heat required is required at a fixed temperature level, the evaporation temperature.
  • the warm-up curve during steam generation deviates significantly from the cooling curve of the NO-containing gas mixture. This leads to restrictions in the use of the heat released during the cooling of the gas mixture, even if one is willing to use oversized - that is to say practically infinitely large - heat exchange surfaces.
  • the quantity that limits the use of heat is the temperature difference driving the heat transfer at the so-called pinch point, ie at the point at which the cooling curve of the gas mixture containing NO and the heating curves of the coolants (tail gas and water / steam) ) come closest. Because of the high heat of vaporization of the water, the pinch point is particularly pronounced for steam generation, so that in order to avoid excessively large heat exchange surfaces, attention is paid to the largest possible temperature difference for the heat transfer at the pinch point. In the past, the tail gas heating and the steam generation were connected in series in terms of heat technology.
  • the object of the invention is to create a generic method and a generic device for operating such a method, which work more economically than the known methods and devices.
  • a method with the features of claim 1 and an apparatus with the features of claim 5 are proposed.
  • the pinch point is shifted into a lower temperature range and can e.g. B. are at 120 to 180 ° C, where heat exchanger surfaces are relatively less expensive;
  • the steam can be exported in a much more extensive manner and at higher and / or different temperature levels;
  • the pinch point can be shifted into temperature ranges in which a noticeable part of the oxidation from NO to NO has already taken place - the cooling curve flattens out in this temperature range, so that the driving temperature difference can also be relatively large at the pinch point.
  • the efficiency of the steam cycle is increased from approximately 31 to 36% (at lower water vapor pressures, for example 80 bar) to 37 to 42%.
  • the steam turbine is equal in energy terms to the tail gas expander (efficiency approx. 38%). Therefore, the tail gas temperature can be reduced without the energetic disadvantages of e.g. B. about 500 ° C on z. B. lowered about 320 ° C. This not only makes the expansion turbine cheaper, it also eliminates expensive heating surfaces in front of and behind the expander. The additional costs for the reheater, the steam drum and the circulation pumps are thus absorbed.
  • the measure according to the invention according to claim 1 has turned out to be particularly effective in the event that it takes place according to the procedure of claim 3, ie - to put it simply - that the parallel heating connection takes place in the process stage in which the feed water the steam generating plant is raised in temperature to approximately the temperature level of the high-pressure saturated steam.
  • the parallel connection thus takes place approximately in the area in which the pinch point was reached by the known method.
  • the parallel connection in terms of heat technology can already be canceled again, that is to say that the partial gas streams are either combined again and fed together to the subsequent process stage, or that they remain in parallel flow systems, but would suffer the same fate technically.
  • the latter procedure can e.g. B. come into consideration if the subsequent process stages require particularly large plant components, which one advantageously divided into smaller system components operated in parallel.
  • the gas streams can be divided upstream of the catalysts, but the gas streams connected in parallel initially experience the same fate thermally.
  • the NO-containing gas mixture can be divided into two cooling stages to be operated in parallel in terms of heat technology, as explained in connection with FIG. 1:
  • FIG. 1 two heat exchangers in axial section are shown purely schematically.
  • the gas mixture arrives in a heat exchanger container 1, in which it successively flows through a plurality of pipe spirals 2 approximately in the direction of the spiral axes.
  • the neighboring tubes of a spiral have a lateral spacing from one another.
  • the spiral center is free of the tubes of the tube spiral, a tube section 3 extends in it, the axis of which essentially coincides with the spiral axis.
  • the pipe section 3 At a point upstream (with respect to the NO-containing gas mixture) of the pipe spirals 2, the pipe section 3 has a free mouth end, which as
  • This partial flow (I) passes through the pipe section 3 out of the heat exchanger container 1 and into a heat exchanger container 5, in which it is cooled by means of a heat exchanger known per se and therefore not shown in detail with heating of tail gas.
  • the other partial stream (II) is cooled - thermally in parallel - by heating the feed water of a steam generating plant flowing through the pipe spirals 2. Both partial streams can then be combined again, as shown in dashed lines.
  • the differential pressure can be compensated for by orifices or the like.
  • This device has the advantage that the design and construction of the heat exchanger 1, 3 is relatively simple and can be carried out according to known methods.
  • the thermal design of the method according to the invention - like the known methods - requires a considerable amount of calculation.
  • a particularly simple example (same heat transfer coefficient in the cooling stages connected in parallel in terms of heat technology) (economizer and tail gas theater)
  • 42% of the heat exchanger area can be saved by the parallel connection according to the invention.
  • This calculation example is based on a driving average temperature difference in the heat exchangers connected in parallel of 92.5 ° C., the feed water being heated to 300 ° C. (saturated steam conditions) at 80 bar and the two partial gas flows at the output of the heat exchangers connected in parallel of the NO-containing gas mixture have a temperature of 210 ° C at about 5 bar.
  • the preheating of the 0 "-containing gas mixture used to produce the NO -containing gas mixture has the advantages, among other things, of further improving the heat recovery from the process, reducing pressure losses, increasing the system flexibility and reducing the investment costs.
  • a cooled air compressor is advantageously used, the power consumption of which is low due to the almost isothermal compression. If the air compressed with this is preheated before it is supplied to the NO formation, this is of particular advantage if this preheating is carried out in parallel with the economizer and tail gas theater.
  • FIG. 2 shows a particularly preferred embodiment of the invention in a schematic form.
  • a catalyst for forming a gas mixture containing NO in a reactor 10 in the form of a platinum network 11 is provided.
  • the reactor 10 contains an evaporator 12 and a superheater 13, as already indicated in the process flow diagram as devices connected downstream of the catalyst.
  • the so-called tail gas emerging from the absorber loaded with water is now heated in several stages to, for example, 413 ° C.
  • a steam-operated heat exchanger 15 is used, which the tail gas leaves at a temperature of, for example, 140 ° C.
  • tail gas theater 16 before it enters the tail gas theater 16, in which it is further heated to approximately 240 ° C., and then in one, in particular their intended for steam superheater 13 immediately downstream heat exchanger 17 to be brought to a temperature of 413 ° C before it is a tail gas expander as is also provided in the process flow diagram.
  • the parallel connection in terms of heat technology takes place in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 at a lower temperature level than indicated in the process flow diagram, since the NO-containing gas mixture leaving the reactor 10 is first cooled down to, for example, 400 ° C. in the heat exchanger 17 , before it is divided into three thermally parallel partial streams on the tail gas theater 16, the economizer 18 and the air preheater 19.
  • a feed water of the steam system preferably coming from a degasser, is heated from 150 ° C. to 240 ° C.
  • the air preheater 19 the air coming from a compressor is heated from approximately 140 ° to 240 ° C., subsequently to be fed with NH, mixture and to the reactor 10.
  • the NH-.- supply can also take place before the air is preheated.
  • the three thermally connected parallel streams of NO-containing gas are brought together again downstream of the tail gas theater 16, the economizer 18 and the air preheater 19 and in a cooler-cooled cooler 20 at a temperature of about 180 ° C. with which the NO-containing gas gas ⁇ mix leaves the thermal parallel circuit to be cooled further.

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Abstract

Bei der Salpetersäureherstellung wird ein Luft/NH3-Gemisch an einem Katalysator, wie einem Platin-Netz, in ein NOx-haltiges Gasgemisch konvertiert. Das Gasgemisch wird unter Wärmetönung aufgrund von Nachoxydation abgekühlt und in einem nachgeschalteten Absorber an Wasser zu Salpetersäure umgewandelt. Die Abkühlung erfolgt unter Nutzung der freiwerdenden Wärme insbesondere zur Erzeugung von Dampf und/oder zur Aufwärmung des hinter dem Absorber anfallenden Tailgases. Der Abkühlprozeß soll verbessert werden, indem, wahlweise, der Dampfexport verbessert, der Stromexport verbessert oder die Wärmeaustauscherfläche verringert wird. Dies geschieht durch eine Aufteilung des NOx-haltigen Gasgemisches auf seinem Weg vom Katalysator zum Absorber, thermische Parallelschaltung und anschließende Wiedervereinigung der Teilströme. Der eine der vorzugsweise zwei Teilströme gibt über einen Tailgasheater Wärme bevorzugt an einenailgas ab, während der andere Teilstrom Wärme bevorzugt an einen Economizer der Dampferzeugungsanlage abgibt. Durch die Erfindung wird die bisher sehr stark ausgeprägte Annäherung der Erwärmungskurve an die Abkühlungskurve der wärmetauschenden Partner (Pinch-Punkt) spürbar abgeschwächt.

Description

Verfahren zum Abkühlen des NO -haltigen Gasgemisches einer Salpetersäureherstellungsanlage und Vorrichtung zum Durch¬ führen dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen des NO -haltigen Gasgemisches einer Salpetersäureherstellungsan¬ lage, bei der an mindestens einem Katalysator das NO -halti¬ ge Gasgemisch erzeugt wird, unter Nutzung der bei der Ab¬ kühlung freiwerdendeπ Wärme, insbesondere zur Erzeugung von Dampf und/oder zur zumindest teilweisen Aufwärmung des aus dem der Abkühlung der NO -haltigen Gasgemisches πachgeschal- teten mindestens einen Absorber austretenden Tailgases sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. In den Salpetersäureherstellungsanlagen, auf die sich das erfin¬ dungsgemäße Abkühlverfahren bezieht, wird, vorzugsweise, ein Gasgemisch aus, im wesentlichen, NH„ und einem sauerstoff- haltigen Gas bzw. Gasgemisch, insbesondere Luft, an minde¬ stens einem Katalysator in das NO -haltige Gasgemisch kon¬ vertiert; dabei werden als Katalysatoren "Gewebe" (Netze) aus Platin oder einer Platin/Rhodium-Legierung oder ähnlich bevorzugt.
Bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Vorrichtungen handelt es sich vorzugsweise um solche, bei denen ein aus mindestens einer Rohrspirale bestehender erster Wärmeaustau¬ scher aus radial voneinander beabstandeteπ Wärmeaustauscher¬ rohren derart vorgesehen ist, daß der Bereich des Spiralzen¬ trums frei von der mindestens einen Rohrspirale bleibt und das NO -haltige Gasgemisch die mindestens eine Rohrspirale im wesentlichen in Richtung der Spiralachse durchströmen kann; bei den bekannten Wärmeaustauschern dieser Bauart ist der Bereich des Spiralzentrums im wesentlichen verschlossen, so daß er nicht durchströmt wird.
Das in Salpetersäureherstellungsaπlageπ an dem Kataly¬ sator erzeugte NO -haltige Gasgemisch besteht bekanntlich vor allem aus NO, H- , 0„, und H„0 und befindet sich zunächst auf relativ hoher Temperatur, welche sich an dem Katalysator als Folge der Reaktionswärme einstellt. Beim Abkühlen dieses Gasgemisches wird die NO-Komponente zunehmend zu N0„ oxy¬ diert. Diese Oxydation ist von einer erheblichen Wärmetönung begleitet. Sowohl die fühlbare Wärme aus dem Konvertierungs¬ schritt als auch die Oxydationswärme werden in mehreren Ab¬ kühlstufen unter Nutzung dieser Wärme freigesetzt. Sobald der Taup . unkt des NOχ-haltiαen Gasαemisches unterschritten wird, bildet sich Salpetersäurekondensat. Die für diesen Ab¬ kühlungs-Teilschritt verwendeten Kondensatoren sind unter den gegebenen Randbedingungen nicht dazu geeignet, eine vollständige, akzeptable Umsetzung zu Salpetersäure zu er¬ möglichen. Es werden daher Absorptionskolonπen verwendet, in denen NO-, von Wasser unter Salpetersäurebildung absorbiert wird. Das aus dem Absorber sozusagen als Abfallprodukt des ursprünglichen Gasgemisches austretende Gas, bei dem es sich im wesentlichen um N„ handelt, befindet sich auf erhöhtem Druck. Es ist gebräuchlich, diesem Druck in einer Expan¬ sionsturbine zum Antreiben von in dem Prozeß benötigten, mindestens einem Kompressor und/oder dgl. zu nutzen. Zur Verbesserung der Antriebsleistuπg wird dieses, sog. , Tailgas erhitzt; das Tailgas kann dabei als Wärmeseπke für den Ab¬ kühlprozeß des (NO -haltigen) Ausgangsgasgemisches genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Tailgasexpanders (etwa 38 % bei einem Druck von etwa 10 bar) ist vergleichsweise günstig. Die Abkühlung des NO -haltigen Gasgemisches kann aller¬ dings nicht nur durch Aufheizung des Tailgases erreicht wer¬ den, vielmehr ist zusätzlich eine Abkühlung unter Erzeugung von Dampf möglich. Dabei wird unter "Erzeugung" von Dampf im Sinne der Erfindung jegliche Einbringung von Energie in die Dampferzeugungsanlage verstanden, also im wesentlichen die Speisewasseraufwärmung, die eigentliche Verdampfung und/oder die Dampfüberhitzung . Bei der Dampferzeugung wird ein we¬ sentlicher Teil der insgesamt benötigten Wärmemenge auf ei¬ nem festen Temperaturniveau, der Verdampfungstemperatur, be¬ nötigt. Die Aufwärmkurve bei der Wasserdampferzeugung weicht ganz wesentlich von der Abkühlkurve des NO -haltigen Gasge¬ misches ab. Dies führt zu Einschränkungen in der Nutzung der bei der Abkühlung des Gasgemisches freiwerdenden Wärme, auch wenn man bereit ist, übergroße - d. h. praktisch uneπd- lichgroße - Wärmeaustauschflächen einzusetzen. Die die Wär- meπutzung begrenzende Größe ist die den Wärmeübergang trei¬ bende Temperaturdiffereπz am sog. Pinch-Punkt, d. h. an dem Punkt, an dem sich die Abkühlungskurve des NO -haltigen Gas¬ gemisches mit den Aufheizkurven der Kühlmittel (Tailgas und Wasser/Dampf) am nächsten kommen. Wegen der hohen Verdampf¬ ungswärme des Wassers ist der Pinch-Punkt für die Dampfer¬ zeugung besonders ausgeprägt, so daß man hier zur Vermeidung allzu großer Wärmeaustauschflächen auf eine möglichst große treibene Temperaturdifferenz für den Wärmeübergang am Pinch- Punkt achtet. Man hat in der Vergangenheit die Tailgasauf- heizuπg und die Dampferzeugung wärmetechnisch hintereinander geschaltet.
Die bisher bekannten gattungsgemäßen Verfahren und Vor¬ richtungen haben unter anderem den Nachteil, daß die Nutzung der Abkühlungswärme des NO -haltingen Gases unbefriedigend bzw. die dafür erforderlichen Investioπskosten außerordent¬ lich hoch sind. Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun¬ de, ein gattungsgemaßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines solchen Verfahrens zu schaf¬ fen, welches wirtschaftlicher als die bekannten Verfahren und Vorrichtungen arbeiten. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen.
Die erfinduπgsgemäße wärmetechnische Parallelschaltung von Tailgasaufheizung , Luftvorwärmung und/oder Dampfer¬ zeugung (wobei "Erzeugung" im oben erwähnten Sinne zu ver¬ stehen ist) bringt folgende Vorteile, die je nach Wahl der Verfahrensparameter mehr oder weniger ausgeprägt sein kön¬ nen :
- höhere Ausnutzung der Prozeßwärme;
- kleinere Wärmeaustauscher durch größere Temperaturdif- fereπz;
- besseres Regel- und Anfahrverhalten des Kessels wegen er¬ höhter Pinchtemperaturdifferenz (z. B. 120° C statt 35° C) ;
- der Pinch-Punkt wird in einen niedrigeren Temperaturbe¬ reich hineinverlagert und kann z. B. bei 120 bis 180° C liegen, wo Wärmeaustauscherflächen relativ weniger aufwen¬ dig sind;
- die Wärmeaustauserflachen können - gewünschtenfalls - er¬ heblich verringert werden;
- der Dampfexport kann gewünschtenfalls wesentlich umfangrei¬ cher und auf höheren und/oder verschiedenen Temperatur¬ niveaus erfolgen;
- es ist möglich, den Stromexport spürbar zu steigern;
- der Pinch-Punkt kann in Temperaturbereiche verschoben wer¬ den, bei denen bereits ein spürbarer Teil der Oxydation von NO zu NO stattgefunden hat - die Abkühlkurve flacht in diesem Temperaturbereich ab, so daß die treibende Tempe¬ raturdifferenz auch am Pinch-Punkt relativ groß sein kann.
Eine Zwischenüberhitzung des bereits auf einen mittle¬ ren Druck entspannten Dampfes (nach Anspruch 4) ist zwar auch für sich allein genommen bei einem gattuπgsgemäßen Ver¬ fahren mit großem Vorteil nutzbar, besonders ausgeprägt sind jedoch die Vorteile in Verbindung mit den Maßnahmen des ge¬ samten Anspruchs 1. Die Zwischenüberhitzung kann unter Um¬ ständen sogar ohne Zusatzinvestitionen erreicht werden, so daß z. B. der Stromεxport ohne Mehrkosten gesteigert werden kann: so wird z. B. die Wandstärke der Rohre eines bei der Salpetersäureherstellung verwendeten sog. La ont-Kessels durch die Fertigungsmethode, nicht aber durch den darin an¬ zuwendenden Druck bestimmt. Durch eine Anhebung des Wasser¬ dampfdruckes auf z. B. 150 bar fallen also keine zusätz¬ lichen Kosten bei diesen Rohren an. Außerdem wird der Wir¬ kungsgrad des Dampfkreislaufes von etwa 31 bis 36 % (bei niedrigeren Wasserdampfdrucken von z. B. 80 bar) auf 37 bis 42 % erhöht. Dadurch wird die Dampfturbine dem Tailgasexpan- der (Wirkungsgrad etwa 38 %) energetisch ebenbürtig. Deshalb kann die Tailgastemperatur ohne en ergetische Nachteile von z. B. etwa 500° C auf z. B. etwa 320° C abgesenkt werden. Dadurch wird nicht nur die Expansionsturbine billiger, es entfallen auch teure Heizflächen vor und hinter dem Expan¬ der. Somit werden die Mehrkosten für den Zwischeπüberhitzer , die Dampftrommel und die Umwälzpumpen aufgefangen. Eine be¬ sonders gute Nutzung des Dampfes zur Erzeugung mechanischer Antriebsleitung wird erreicht, wenn der Dampf im Abhitzekes¬ sel zwischenüberhitzt wird nachdem er bereits in einer Ge¬ gendruckturbine auf einen mittleren Druck entspannt worden ist. Umfangreiche Berechnungen haben darüber hinaus gezeigt, daß durch die Zwischenüberhitzung nach Anspruch 4 eine be- besonders gute Anpassung der Aufheizkurve an die Abkühlkurve (des NO -haltigen Gasgemisches) erreicht wird, d. h., daß die mit den Maßnahmen nach Anspruch 1 erzielten Erfolge durch die Maßnahme nach Anspruch 4 unerwarteterweise noch vergrößert werden können.
Nicht zuletzt sei erwähnt, daß die für die restliche Abkühlung des NO -haltigen Gases erforderliche Kühlwasser¬ menge durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert werden kann.
Es gibt nun eine große Vielzahl von Möglichkeiten, die einzelnen Abkühlstufen für das NO -haltige Gasgemisch bzw. die Aufheizuπg von Tailgas, die Luftvorwärmung und/oder den Dampferzeugungsprozeß zu gestalten. Als besonders wirkungs¬ voll hat sich die erfindungsgemaße Maßnahme nach Anspruch 1 für den Fall herausgestellt, daß sie nach der Verfahrenswei¬ se des Anspruchs 3 erfolgt, d. h. - vereinfacht ausgedrückt - daß die wärmetechnische Parallelschaltung in der Verfah¬ renstufe erfolgt, in der das Speisewasser der Dampfer¬ zeugungsanlage etwa auf das Temperaturniveau des Hochdruck¬ sattdampfes temperaturmäßig angehoben wird. Die Parallel¬ schaltung erfolgt also etwa in dem Bereich, in dem nach dem bekannten Verfahren der Pinch-Punkt erreicht wurde. Für den nächsten Abkühlungsschritt kann die wärmetechnische Parallelschaltung bereits wieder aufgehoben werden, d. h., daß die Teilgasströme entweder wieder vereint und gemeinsam den nachfolgenden Prozeßstufeπ zugeführt werden, oder daß sie zwar weiter in parallelen Strömungssystemen verbleiben, aber wär etechπisch das gleiche Schicksal erleiden. Die letztgenannte Vorgehensweise kann z. B. dann in Betracht kommen, wenn die nachfolgenden Verfahrensstufen besonders große Anlagenkompoπenten benötigen, die man günstigerweise in parallel betriebene kleinere Anlagenkomponenten unter¬ teilt. Ebenso kann bei sehr großen Salpetersäureher¬ stellungsanlagen bereits vor den Katalysatoren eine Auf¬ teilung der Gasströme erfolgen, wobei aber die parallelge¬ schalteten Gasströme wärmetechnisch dabei zunächst das gleiche Schicksal erleiden.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu ver¬ wendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw. den Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedinguπgen, so daß die in dem jeweiligen An¬ wendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegen¬ standes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungs¬ beispiels:
Das nachfolgende Verfahrensfließbild ist als selbst er¬ läuternder Bestandteil der Verfahrensbeschreibung zu ver¬ stehen und betrifft - bis auf die gestrichelt umrandeten Be¬ reiche - die nach dem Stand der Technik bekannten Teil¬ schritte bei der Abkühlung des NO -haltigen Gasgemisches ei¬ ner Salpetersäureherstellungsanlage. Die im Zusammenhang mit dem gestrichelt umrandeten Bereichen angegebenen Drucke und Temperaturen stellen dabei auf die Besonderheiten des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens ab. Gleichwohl sind sämtliche Druck und Temperaturangaben und das konkrete Schaltungskonzept ausschließlich beispielhaft zu verstehen, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke eingeschränkt werden soll. Je nach An- wendungsfall kann die Anlage nämlich mit veränderten Para¬ metern und Schaltungen gefahren werden, um z. B. mehr Strom¬ export, mehr Dampfexport und/oder kleinere Wärmeaustauscher¬ flächen zu realisieren.
Soweit die Zwischenüberhitzung des Dampfes betroffen ist, bedarf es keiner weiterreichenden Erläuterungen, da die Dampfzwischenüberhitzung als solche bekannt ist. Erwähnt sei lediglich, daß im Falle einer Zwischenüberhitzung des Dam¬ pfes der Druck und die Temperatur des Hochdruckdampfes auf z. B. 120 bar und 540° C angehoben werden können. Die Teil¬ entspannung dieses Hochdruckdampfes kann dann z. B. auf 280° C und 20 bar erfolgen. Der Zwischenüberhitzer könnte dann z. B. bei 20 bar die Dampftemperatur auf 500° C steigern; in dem nachfolgenden Turbiπenteil könnte dieser Mittel¬ druckdampf dann auf z. B. 35° C und 0,07 bar entspannt wer¬ den.
Die Aufteilung des NO haltigen Gasgemisches in zwei wärmetechnisch parallel zu betreibeneπ Abkühlstufen kann wie im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert erfolgen:
In Figur 1 sind zwei Wärmeaustauscher im Axsialschnitt rein schematisch dargestellt. Das Gasgemisch gelangt in ei¬ nen Wärmeaustauscherbehälter 1, in welchem es nacheinander mehrere Rohrspiraleπ 2 etwa in Richtung der Spiralachsen durchstömt. Zu diesem Zweck haben die benachbarten Rohre ei¬ ner Spirale seitlichen Abstand zueinander. Das Spiralzentrum ist frei von den Rohren der Rohrspirale, in ihm erstreckt sich ein Rohrabschnitt 3, dessen Achse im wesentlichen mit der Spiralachse zusammenfällt. An einer Stelle stromauf (be¬ züglich des NO -haltigeπ Gasgemisches) der Rohrspiralen 2 hat der Rohrabschnitt 3 ein freies Mündungsende, das als
Eiπtrittsöffnung 3 4 zum Einlaß eines Teilstromes des NOx-hal- tigen Gasgemisches dient. Dieser Teilstrom (I) gelangt über den Rohrabschnitt 3 aus dem Wärmeaustauscherbehälter 1 hin¬ aus und in einen Wärmeaustauscherbehälter 5 hinein, in dem er mittels eines an sich bekannten und daher im einzelnen nicht dargestellten Wärmeaustauschers unter Aufheizung von Tailgas abgekühlt wird. Der andere Teilstrom (II) wird - wärmetechnisch parallel - unter Aufheizung des die Rohrspi¬ ralen 2 durchstömenden Speisewassers einer Dampferzeugungsan- lage abgekühlt. Beide Teilströme können danach - wie gestri¬ chelt dargestellt - wieder vereint werden.
Sollten die Druckverluste der beiden Teilgaströme in ihren jeweiligen Wärmeaustausersystemen unterschiedlich sein, kann der Differenzdruck durch Blenden od. dgl. ausge¬ glichen werden. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Auslegung und der Bau des Wärmeaustauschers 1, 3 relativ einfach ist und nach bekannten Methoden erfolgen kann.
Die wärmetechnische Auslegung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedarf - wie auch die bekannten Verfahren - eines erheblichen Berechnungsaufwandes. An einem besonders einfa¬ chen Beispiel (gleiche Wärmedurchgangszahl in den wärmetech¬ nisch parallel geschalteten Abkühlstufen) (Economizer und Tailgasheater) kann aber gezeigt werden, daß durch die er¬ findungsgemäße Parallelschaltung 42 % der Wärmeaustauscher¬ fläche eingespart werden kann. Dieses Rechenbeispiel beruht auf einer treibenden mittleren Temperaturdifferenz in den parallel geschalteten Wärmeaustauschern von jeweils 92,5° C, wobei das Speisewasser bei 80 bar auf 300° C (Sattdampfbe- dingungen) erhitzt wird und am Ausgang der parallel ge¬ schalteten Wärmeaustauscher die beiden Teilgasströme des NO -haltigen Gasgemisches eine Temperatur von 210° C bei etwa 5 bar aufweisen. Während nun in dem weiter oben erwähnten Verfahrens¬ fließbild die wärmetechnische Parallelschaltunqa des NOx-hal- tigen Gasgemisches auf einer Teilstrecke in erster Linie vorsieht, in wärmetechnisch parallel geschalteten Wärme¬ austauschern zum einen das sogenannte Tailgas in einem Tail- gasheater und andererseits Speisewasser für die Dampfer¬ zeugungsanlage in einem Economizer aufzuheizen, ist es, ge¬ mäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch möglich, drei statt zwei Wärmeaustauscher wärmetechnisch pa¬ rallel zu schalten. Dies ist in dem Verfahrensfließbild zwar strichpunktiert dargestellt, aber nur rein beispielhaft und nicht etwa als echte Alternative zu verstehen, dafür das in dem Verfahrensfließbild wiedergegebene Ausführungsbeispiel die zusätzliche wärmetechnische Parallelschaltung des "Vor¬ wärmers" in der Praxis sogar ungünstig sein könnte. Zur Her¬ stellung des NO -haltigen Gasgemisches werden nämlich Op-haltige Gasgemische, insbesondere Luft verwendet. Soweit im Rahmen der Beschreibung und der Patentansprüche vereinfa¬ chend von "Luftvorwärmuπg" gesprochen wird, ist damit im Sinne der Erfindung stets auch die Vorwärmung anderer 0-,-haltiger Gasgemische für die Herstellung des NO -haltigen Gasgemisches - und zwar vor und/ oder nach der Zumischung von NH-, - zu verstehen. Ein entsprechender Vorwärmer für derartige "Luft" ist in dem vorerwähnten Verfahrensfließbild strichpunktiert wiedergegeben.
Die Vorwärmuπg des zur Herstellung des NO -haltigeπ Gasgemisches verwendeten 0„-haltigen Gasgemisches hat unter anderem den Vorteil, die Wärmerückgewiπnung aus dem Prozeß noch zu verbessern, Druckverluste zu verringern, die Anla- geπflexibilität zu erhöhen und die Investitionskosten zu senken . Insbesondere bei kleineren, sogenannten Monodruckanla- gen wird vorteilhafterweise ein gekühlter Luftkompressor eingesetzt, dessen Leistungsaufnahme wegen der nahezu iso¬ thermen Kompression gering ist. Wird nun die hiermit kompri¬ mierte Luft vorgewärmt, bevor sie der NO -Bildung zugeführt wird, bringt dies vor allem dann Vorteile, wenn diese Vor¬ wärmung parallel zu Economizer und Tailgasheater erfolgt.
Da der Grundgedanke der Erfindung darin besteht, durch eine Aufteilung des NO -haltigen Gasgemisches auf seinem Weg vom Katalysator zum Absorber die Abkühlung des NO -haltigen Gasgemisches in thermisch parallel geschalteten Wärmeaus¬ tauschern vorzunehmen, versteht es sich, daß grundsätzlich auch eine Parallelschaltung lediglich von Luftvorwärmer und Tailgasheater bzw. Luftvorwärmer und Economizer sinnvoll nutzbar sind.
In Fig. 2 ist nun eine besonders bevorzugte Ausfüh¬ rungsform der Erfindung in schematisierter Form wiedergege¬ ben. Bei dieser Ausführungsform ist ein Katalysator zur Bil¬ dung eines NO -haltigen Gasgemisches in einem Reaktor 10 in Form eines Platinπetzes 11 vorgesehen. Der Reaktor 10 ent¬ hält zur Wärmenutzung einen Verdampfer 12 und einen Über¬ hitzer 13, wie sie in dem Verfahrensfließbild bereits als dem Katalysator nachgeschaltete Vorrichtungen angedeutet sind. Das aus dem mit Wasser beaufschlagten Absorber austre¬ tende sogenannte Tailgas wird nun in mehreren Stufen bis auf beispielsweise 413° C erwärmt. Hierzu dient zunächst ein mit Dampf betriebener Wärmeaustauscher 15, den das Tailgas mit einer Temperatur von beispielsweise 140° C verläßt, bevor es in den Tailgasheater 16 eintritt, in dem es auf etwa 240° C weitererwärmt wird, um anschließend in einem dem, insbeson¬ dere für Dampf vorgesehenen, Überhitzer 13 unmittelbar nach¬ geschalteten Wärmeaustauscher 17 auf eine Temperatur von 413° C gebracht zu werden, bevor es einem Tailgas-Expander wie er auch in dem Verfahrensfließbild vorgesehen ist, zugeführt wird.
Die wärmetechnische Parallelschaltung erfolgt in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem nie¬ drigeren Temperaturniveau, als in dem Verfahrensfließbild angegeben, da das den Reaktor 10 verlassende NO -haltige Gasgemisch in dem Wärmeaustauscher 17 zunächst bis auf bei¬ spielsweise 400° C abgekühlt wird, bevor es in drei wärme¬ technisch parallele Teilströme auf den Tailgasheater 16, den Economizer 18 und den Luftvorwärmer 19 aufgeteilt wird. In dem Economizer wird ein, vorzugsweise von einem Entgaser kommendes Speisewasser der Dampfanlage von 150° C auf 240° C erwärmt, während in dem Luftvorwärmer 19 die von einem Kom¬ pressor kommende Luft von etwa 140° auf 240° C erwärmt wird, um nachfolgend mit NH-,-Gemisch und dem Reaktor 10 zugeführt zu werden. Alternativ oder kumulativ kann, wie gestrichelt dargestellt, die NH-.-Zuführung auch vor der Luftvorwärmung erfolgen .
Die drei wärmetechnisch parallel geschalteten Ströme an NO -haltigem Gas werden stromab des Tailgasheaters 16, des Economizers 18 und des Luftvorwärmers 19 wieder zusammen¬ geführt und in einem kühlwassergekühlten Kühler 20 von einer Temperatur von etwa 180° C, mit der das NO -haltige Gasge¬ misch die wärmetechnische Parallelschaltung verläßt, weiter abgekühlt zu werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Abkühlen des NO -haltigen Gasgemisches einer Salpetersäureherstellungsanlage , bei der an mindestens einem Katalysator das NO -haltige Gasgemisch erzeugt wird, unter Nutzung der bei der Abkühlung freiwerdendeπ Wärme, insbesondere zur Erzeugung von Dampf und/oder zur zumindest teilweisen Aufwärmung des aus dem der Abkühlung des NO Λ-hal- tigen Gasgemisches nachgeschalteten mindestens einen Absor¬ ber austretenden Tailgases, dadurch gekennzeichnet, daß das NO -haltige Gasgemisch auf seinem Weg von dem Kata¬ lysator zu dem mindestens einen Absorber zumindest auf einer Teilstrecke in mindestens zwei Teilströme wärmetechnisch aufgeteilt wird (Parallelschaltung) und ein erster der Teil¬ gasströme seinen Wärmeinhalt zumindest teilweise, vor¬ zugsweise an das Tailgas, abgibt, während ein zweiter der Teilströme seinen Wärmeinhalt zumindest teilweise, vorzugs¬ weise an die Dampferzeugungsanlage , abgibt und die Teilströ¬ me nachfolgend, gemeinsam oder getrennt voneinander, durch die weiteren Verfahrensstufen bis zur Behandlung in dem min¬ destens einen Absorber geführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der mindestens zwei Teilströme in die das NOx- haltige Gasgemisch auf seinem Weg von dem Katalysator zu dem mindestens einen Absorber wenigstens auf einer Teilstrecke wärmetechnisch aufgeteilt ist, zur Vorwärmung des zur Her¬ stellung des NO -haltigen Gasgemisches verwendeten 0-,-halti- gen, insbesondere aus Luft bestehenden und ggf. bereits NH„ enthaltenden Gasgemisches verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die wärmetechnische Parallelschaltung des NO - haltigeπ Gasgemisches nach dessen Durchströmung mindestens eines Verdampfers oder zumindest eines in bezug auf die Abkühlung des NO -haltigeπ Gasgemisches letzten Ver¬ dampfuπgsabschnittes einer Dampferzeugungsaπlage erfolgt, wobei einer der mindestens zwei Teilströme in einem Vorwär¬ mer (Economizer) die Temperatur des Speisewassers der Dampf¬ erzeugungsanlage etwa auf die Temperatur des Hochdrucksatt¬ dampfes anhebt und, ggf. , einen Teil des Speisewassers ver¬ dampft .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mit mindestens einem Teil eines in einer Dampferzeugungsan- lage erzeugten überhitzten Dampfes eine Turbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf in einer ersten Turbine bzw. in einem ersten Turbineπabschnitt auf einen ge¬ eigneten Mitteldruck entspannt wird, nachfolgend durch das heiße NO -haltige Gasgemisch erneut überhitzt wird und schließlich als überhitzter Mitteldruckdampf exportiert und/ oder in einer zweiten Turbine/Turbinenabschnitt zur Erzeu¬ gung von Antriebsleistung genutzt wird.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach ei¬ nem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein aus mindestens einer Rohrspirale (2) bestehender erster Wärmeaustauscher aus ra¬ dial voneinander beabstandeten Wärmeaustauscherrohren derart vorgesehen ist, daß der Bereich des Spiralzentrums frei von der mindestens einen Rohrspirale (2) bleibt und das NO - haltige Gasgemisch die mindestens eine Rohrspirale (2) im wesentlichen in Richtung der Spiralachse durchstö en kann, dadurch gekennzeichnet, daß im Spiralzentrum sich mindestens ein Rohrabschnitt (3) im wesentlichen in der Richtung der Spiralachse erstreckt, wobei der Rohrabschnitt an einer Stelle stromauf oder unmit- telbar am Anfang der Wärmeaustauscherfläche der mindestens einen Rohrspirale eine Eintrittsöffnung (4) zum Einlaß eines Teilstromes des Gasgemisches in den Rohrabschnitt (3) auf¬ weist und wobei der Rohrabschnitt (3) für diesen Teilstrom eine Fluidverbindung (6) zu einem zweiten, zu dem ersten pa¬ rallel geschalteten, Wärmeaustauscher (5) herstellt.
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