DE2714967A1 - Verfahren und anlage zur gewinnung von ammoniak und schwerem wasser - Google Patents
Verfahren und anlage zur gewinnung von ammoniak und schwerem wasserInfo
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Description
27U967
P. 5036 Sd
Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz
Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Anmoniak
und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolytische Spaltung von in einer monothermen Isotpenaustauschanlage mit
Deuterium angereicherten Wasser erzeugtem Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge
des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, wobei weiterhin während der Wintermonate eine Ueberschussmenge
an elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert wird und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Anlagen weisen eine Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung
von Wasserstoff und eine Einrichtung zur Erzeugung von Stickstoff, z. B. durch Luftzerlegung und eine Ammoniaksyntheseeinrichtung
auf, sowie einen Speicher für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff und eine monotherme Isotopenaustauschanlage, in welcher
Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration an Deuterium angereichert wird und eine Anlage iur Gewinnung von schweren Wasser
aus einer Teilmenge des angereicherten Wassers.
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In der Praxis besteht in den meisten Fällen die Aufgabe, Ammoniak
kontinuierlich während des ganzen Jahres zu erzeugen. Um eine solche Ammoniaksyntheseanlage wirtschaftlicher zu gestalten, ist
es bekannt, damit eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser zu kombinleren.
Da jedoch bekanntlich zum Betrieb derartiger Anlagen eine relativ
grosse elektrische Energie erforderlich ist und der elektrische Strom während der Wintermonate erheblich teurer als während der
Sommermonate 1st, da in dieser Zeit ein grosser Teil des elektrischen Stromverbrauches, z. B. für Heizzwecke in Gebäuden wegfällt, ist schon vorgeschlagen worden, die Elektrolyseeinrichtung, die zur Erzeugung des für die Ammoniaksynthese benötigten
Wasserstoffes dient, während der Wintermonate stillzusetzen und während der Sommermonate eine Ueberschussmenge von Wasserstoff
in der Elektrolyseeinrichtung zu erzeugen und zu speichern, um den Wasserstoffverbrauch der Ammoniaksyntheseanlage während der
Wintermonate zu decken.
Diese Lösung hat jedoch zur Folge, dass die Schverwassergewinnungsanlage während der Wintermonate ebenfalls ausser Betrieb ist,
da kein. Wasser als Einspeisestrom in die Isotopenaustauschanlage zur Verfügung steht.
Ausserdem müssen der bzw. die Isotopenaustauschtürme sowie die
Elektrolyseeinrichtung für entsprechend grössere Durchsatzmengen dimensioniert werden, da diese Einrichtungen nur während eines
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Aus diesem Grunde weist die vorstehende Anlage wesentlich» Nachteile
in wirtschaftlicher Beziehung auf.
Die Erfindung hat sich die Beseitigung dieser Mangel zum Ziel gesetzt. Insbesondere soll mit Hilfe der Erfindung ermöglicht
werden, dass der Aufwand an elektrischer Energie für den Betrieb der Gesamtanlage, der insbesondere während der Wintermonate
einen erheblichen Kostenfaktor darstellt, gesenkt wird. Die für die Antriebe der Pumpen, Kompressoren und dgl. benötigte
elektrische Energie soll mindestens zu einem grossen Teil durch eine andere Energiequelle auf wirtschaftliche Weise ersetzt werden.
Ausserdem soll es die Erfindung ermöglichen, die Schwerwassergewinnungsanlage auf wirtschaftliche Weise zu betreiben,
d. h. das in diese Anlage eingespeiste Wasser möglichst noch an Deuterium anzureichern.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass eine Teilmenge
des im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Synthesegasgemisches aus dem Synthesekreislauf entnommen
und mit Luft verbrannt wird, wobei ein im wesentlichen aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, aus welchem
das Wasser auskondensiert und von dem Gemisch abgetrennt
wird und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische
Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildung des Synthesegasgemisches zusammengeführt wird.
Eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens besteht nach der
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mit Hilfe eines von einem Elektromotor 4a angetriebenen Kompressors 4 in einem Kreislauf durch die Austauschtürme 3a, 3b
und 5 gefördert, wobei es in den Türmen 3a und 3b an Deuterium verarmt und im Turm 5 an Deuterium angereichert wird.
Eine Teilmenge des angereicherten Wassers wird in eine Schwerwassergewinnungsanlage 6 eingeleitet, in welcher es in bekannter
Weise zu schwerem Wasser aufkonzentriert und durch eine Leitung 7 aus der Anlage weggeführt wird. Beispielsweise wird das angereicherte Wasser in einer Elektrolyseeinrichtung gespalten und
sodann der sich im abgetrennten Wasserstoff befindende an Deuterium weiter angereicherte Wasserdampf auskondensiert und durch
anschilessende Rektifikation zu schwerem Wasser aufkonzentriert.
Der in der Schwerwassergewinnungsanlage freiwerdende Sauerstoff wird aus der Anlage durch eine Leitung 8 entnommen, während der
freiwerdende Wasserstoff in das Synthesegasleitungssystem durch eine Leitung 9 eingespeist wird, nachdem er in einem Kompressor
10, der von einem Elektromotor 10a angetrieben wird, auf den erforderlichen Druck gebracht worden ist.
Die übrige Teilmenge des im Austauschturm 3a angereicherten
Wassers, die wesentlich grosser als die in die Schwerwassergewinnungsanlage eingespeiste Wassermenge ist, wird in einen Wasserspeicher 11 eingeleitet und bei geöffnetem Ventil 12 mit Hilfe
einer Pump« 13 in «ine Elektrolyseeinrichtung 14 gefördert.
Durch eine Leitung I1 wird während der Zelt, In der dl· Elektrolyseeinrichtung in Betrieb ist, b«i geöffnet·« Yentil I11 Prlsch-
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wasser in die Elektrolyseeinrichtung eingeleitet.
Während der Wintermonate wird die Elektrolyseeinrichtung stillgesetzt (in diesem Fäll ist Ventil 12 geschlossen), und der
Speicher 11 wird mit angereichertem Wasser aufgefüllt und zwar wird eine solche Menge gespeichert, die zur Erzeugung der im
Speicher 15 während der Sommermonate gespeicherten Wasserstoffmenge erforderlich ist. Wenn die Elektrolyseeinrichtung während
sechs Sommermonaten in Betrieb ist, wird in ihr während dieser Zeit die doppelte Menge an Wasserstoff durch die Spaltung von
angereichertem Wasser erzeugt gegenüber derjenigen Wasserstoffmenge, die während sechs Monaten für die Ammoniaksyntheseanlage
16 erforderlich ist.
Während der Sommermonate wird dann ausser der im Austauschturm
3a angereicherten Wassermenge eine gleich grosse Wassermenge aus dem Speicher 11 in der Elektrolyseeinrichtung gespalten.
Der bei der Spaltung abgetrennte Sauerstoff wird durch eine Leitung 17 aus der Einrichtung entnommen und kann einem nicht
dargestellten Verbraucher zugeführt werden.
Der abgetrennte Wasserstoff wird im Kompressor 18, der von einem Elektromotor 18a angetrieben wird, verdichtet und bei geöffnetem Ventil 19, das während der Winteraonate geschlossen ist,
in einen Speicher 19 eingeleitet.
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Erfindung darin, dass zur Erzeugung von Stickstoff eine Verbrennungseinrichtung dient, an welche eine Zuführleitung für
Synthesegasgemisch und eine Zuführleitung für komprimierte Luft angeschlossen sind, und dass die Ableitung der Verbrennungseinrichtung an einen Kondensator angeschlossen ist, welcher vom
Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt ist, und dass weiterhin
an den Kondensator ein Abscheider für das auskondensierte Wasser angeschlossen 1st, der gasseitig mit einer Zuführleitung für
Stickstoff in die Synthesegasleitung verbunden 1st und flüssigkeitsseitig an eine Ammoniak/Wassertrennvorrichtung angeschlossen
ist, aus der Ammoniak als Produkt entnommen wird und Wasser in die monotherme Isotopenaustauschanlage zurückgeführt wird.
In der Zeichnung ist in einem Fliessschema eine Ausführungsform
einer erfindungsgemässen Anlage dargestellt.
Die Betriebsweise der Anlage erfolgt während der Sommermonate in der nachstehenden Weises
Durch eine Leitung 1 wird Frischwasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration (IN) in die Anlage eingeleitet. Mit Hilfe der
Pumpe 2 wird das Wasser auf den erforderlichen Druck der monotherme η Isotopenaustauscheinrichtung gebracht und durchströmt
sodann einen Austauschturm 3a dieser Einrichtung. Im Austauschturm 3a wird das Wasser durch Deuteriumaustausch mit einem ersten Zwischenträgermedium, z. B. Ammoniakdampf oder Methylamindampf an Deuterium angereichert. Dieses Zwischenträgermedium wird
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Die für die Ammoniaksyntheseanlage erforderliche Stickstoffmenge
wird in der folgenden Weise erzeugt.
Aus dem Synthesekreislauf, in welchem die Syntheseanlage 16 angeordnet ist, wird nachdem in einem der Anlage nachgeschalteten
Kühler 20 das synthetisierte Ammoniak auskondensiert worden ist, nicht synthetisiertes, im wesentlichen aus Stickstoff und Wasserstoff und Argonspuren bestehende Gasgemisch, welches auch noch
Restbestandteile von Ammoniak enthält, durch eine Leitung 21 in eine Verbrennungseinrichtung 22 eingeleitet. In diese Einrichtung wird in einem Kompressor 23 verdichtete Luft durch eine Leitung 24 ebenfalls gefördert. Bei der in bekannter Weise mindestens
teilweise erfolgenden katalytischen Verbrennung entsteht im wesentlichen Wasserdampf und Stickstoff. Das Verbrennungsgemisch
enthält auch noch Argon und kleine Ammoniakmengen. In den Wärmeaustauschern 25 und 26 wird das Gemisch gekühlt und das Wasser und
der Ammoniak vollständig kondensiert. In einem Flüssigkeitsabscheider 27 wird der verflüssigte Wasser- und Ammoniakanteil des Gemisches von dem aus Stickstoff und Argon und eventuell noch Spuren
von Wasserdampf und dampfförmigem Ammoniak aufweisenden Gemisch abgetrennt und durch eine Leitung 28 in eine Ammoniak/Wassertrennvorrichtung 29 bekannter Bauart eingespeist. Aus dieser Vorrichtung wird durch eine Leitung 30 flüssiges Ammoniak entnommen,
während das an Deuterium verarmte Wasser in den Isotopenaustausch turm 3b der monothermen Isotopenaustauschanlage eingespeist
wird. Der Verdampfer/Kondensator 25 liegt ausserdem in einem Dampfkreislauf bekannter Ausführung, der ausserdem eine Dampfturbine 31,
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einen Kondensator 32 und eine Pumpe 33 aufweist.
Die Dampfturbine 31 ist als Antriebsaggregat für den Kompressor
23 für Brennluft, den im Synthesegaskreis angeordneten Kompressor 34 und den im Synthesekreis liegenden Kompressor 35 eingesetzt.
Somit entfallen für diese Maschinen elektrische Antriebe und es wird eine wesentliche Einsparung an elektrischem Strom erreicht,
was kostenmässig besonders während der Wintermonate ins Gewicht fällt.
Ausserdem wird aufgrund der Tatsache, dass das in den Turm 3b eingespeiste Wasser eine Deuteriumkonzentration aufweist, die
wesentlich unterhalb der natürlichen Deuteriumkonzentration (IN) liegt, erreicht, dass der Schwerwassergewinnungsanlage 6 stärker
mit Deuterium angereichertes Wasser zugeleitet wird, als dieses der Fall wäre, wenn in die mono the rme Isotopenaustauschanlage
ausschliesslich Wasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration eingeleitet werden würde. Hierdurch kann vergleichsweise eine
grössere Menge an schwerem Wasser in der Anlage 6 bei gleichem
Energieaufwand erzeugt werden.
Der für die Ammoniaksynthest in der Verbrennungsvorrichtung 22
gewonnene Stickstoff wird aus dem FlUssigkeitsabscheider 27 durch eine Leitung 36 in den Synthesegaskreislauf gefördert. Eine Teilmenge wird durch eine Leitung 37 aus der Anlage weggeführt, um su
verhindern, dass sich in der Syntheseanlage Argon in unerwünschtem
Masse ansammelt. Diese Im wesentlichen aus Stickstoff und Argon
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bestehende entnommene Inertgasmenge kann zu anderen Verbrauchszwecken verwendet werden.
Das im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehende
Synthesegas wird in dem, von der Dampfturbine 31 angetriebenen
Kompressor 34 verdichtet und in einen Isotopenaustauschturm 38
der monothermen Isotopenaustauschanlage gefördert. In diesem
Austauschturm wird das Synthesegasgemisch und die durch die
Leitung 9 zugeführte Wasserstoffmenge durch Isotopenaustausch
mit einem zweiten Zwischentragermittel, z. B. flüssigem Ammoniak oder flüssigem Methylamin an Deuterium abgereichert, sodann in einen Tropfenabscheider 39 eingeführt und mittels des Kompressors 35 in die Syntheseanlage 16 eingeleitet. Das gewonnene Ammoniak wird in dem Kühler 20 kondensiert und durch eine Produktleitung 40 aus der Anlage weggeführt.
Synthesegas wird in dem, von der Dampfturbine 31 angetriebenen
Kompressor 34 verdichtet und in einen Isotopenaustauschturm 38
der monothermen Isotopenaustauschanlage gefördert. In diesem
Austauschturm wird das Synthesegasgemisch und die durch die
Leitung 9 zugeführte Wasserstoffmenge durch Isotopenaustausch
mit einem zweiten Zwischentragermittel, z. B. flüssigem Ammoniak oder flüssigem Methylamin an Deuterium abgereichert, sodann in einen Tropfenabscheider 39 eingeführt und mittels des Kompressors 35 in die Syntheseanlage 16 eingeleitet. Das gewonnene Ammoniak wird in dem Kühler 20 kondensiert und durch eine Produktleitung 40 aus der Anlage weggeführt.
Das zweite Zwischentragermittel wird, nachdem es im Austauschturm
38 an Deuterium angereichert worden ist, in einem Drosselventil 41 entspannt und dann im Austauschturm 5 durch Isotopenaustausch
mit dem ersten Zwischentragermittel an Deuterium verarmt, anschliessend mittels Pumpe 42 auf den erforderlichen
Betriebsdruck des Austauschturmes 38 gebracht und in diesem wie der an Deuterium angereichert.
Betriebsdruck des Austauschturmes 38 gebracht und in diesem wie der an Deuterium angereichert.
7098U/0722 - io -
Claims (7)
- P 5036/SdPatentansprüche(^ Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolytische Spaltung von in einer monothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereicherten Wasser erzeugtem Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, wobei weiterhin während der Winfcermonate eine Ueberschussmenge an elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Synthesegasgemisches aus dem Synthesekreislauf entnommen und mit Luft verbrannt wird, wobei ein im wesentlichen aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, aus welchem das Wasser auskondensiert und von dem Gemisch abgetrennt wird und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildung des Synthesegasgemisches zusammengeführt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegasgemisch mindestens teilweise katalytisch verbrannt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Wintermonate zur Bildung des Synthesegasgemisches gespeicherter während der Sommermonate durch elektrolytische Spaltung gewonnener Wasserstoff verwendet wird und während der Wintermonate in der Tsonothermen Isotopenaustauschanlage angereichertes Wasser gespeichert wird, welches während der Sommermonate elektrolytisch gespalten wird. 709846/0722- 11 -ORIGINAL INSPECTED27U967
- 4. Anlage zur Gewinnung von Ammoniak und von schwerem Wasser nach Anspruch 1, wobei die Anlage eine Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und eine Einrichtung zur Erzeugung von Stickstoff und eine Ammoniaksyntheseeinrichtung aufweist, sowie einen Speicher für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff und eine monotherme Isotopehaustauschanlage, in welcher Wasser natürlicher Deuterlumkonzentration an Deuterium angereichert wird und eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser aus einer Teilmenge des angereicherten Wassers, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Stickstoff eine Verbrennungseinrichtung dient, an welche eine Zuführleitung für Synthesegasgemisch und eine Zuführleitung für komprimierte Luft angeschlossen sindj und dass die Ableitung der Verbrennungseinrichtung an einen Kondensator angeschlossen ist, welcher vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt ist, und dass weiterhin an den Kondensator ein Abscheider für das auskondensierte Wasser angeschlossen ist, der gasseitig nit einer Zuführleitung für Stickstoff in die Synthesegasleitung verbunden ist und flUssigkeitsseitig an eine Ammoniak/Vässertrennvorrichtung angeschlossen ist, aus der Ammoniak als Produkt entnommen wird und Wasser in die monotherme Isotopenaustauschanlage zurückgeführt wird.
- 5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die monotherme Isotopenaustauschanlage mindestens einen Austauschturm aufweist, in welchem das der Elektrolyseeinrichtung bzw. der Schwerwassergewinnungsanlage zugeführte Wasser mit einem in einem Kreislauf strömenden dampfförmigen ersten Zwischenträgermedium709846/0722 - 12 -3 27U967in Isotopenaustauseh gebracht wird, und dass dieses erste Zwischenträgerttedium in mindestens einem Isotopenaustausehturm mit einem flüssigen, in einem Kreislauf strömenden zweiten Zwischenträgermedium in Isotopenaustausch gebracht wird, wobei dieses zweite Zwischenträgermedium in mindestens einem Isotopenaustausch· turn nit dem der Ammoniaksyntheseanlage züge führten Synthesegasgemisch in Isotopenaustausch gebracht wird.
- 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischent rage medium aus Ammoniakdampf und das zweite ZwischenträgemedluB aus flüssigem Ammoniak besteht.
- 7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischenträgermedium aus Methylamindampf und das zweite Zwischenträgemediun aus flüssigem Methylamin besteht.709846/0722
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1977
- 1977-04-04 DE DE2714967A patent/DE2714967C3/de not_active Expired
- 1977-05-12 JP JP5482577A patent/JPS534799A/ja active Pending
- 1977-05-12 US US05/796,170 patent/US4213953A/en not_active Expired - Lifetime
- 1977-05-13 CA CA278,331A patent/CA1102736A/en not_active Expired
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB867736A (en) * | 1959-10-01 | 1961-05-10 | Norsk Hydro Elektrisk | Process for the concentration of heavy water |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Chemie-Ing. Techn., 34, 1962, H. 12, S. 819-820 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH620176A5 (de) | 1980-11-14 |
| DE2714967B2 (de) | 1981-08-13 |
| FR2351054B1 (de) | 1978-11-03 |
| CA1102736A (en) | 1981-06-09 |
| FR2351054A1 (fr) | 1977-12-09 |
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| US4213953A (en) | 1980-07-22 |
| DE2714967C3 (de) | 1982-05-13 |
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