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Verfahren zur Gewinnung von Ammo»iumnitrat aus Stickoxydgasen und
Ammoniak. Die Erfindung batrifft die Gewinnung von festem Ammoniumnitrat. Die üblichen
Verfahren zur Herstellung, von Ammoniumnitrat bestehen in der Neutralisation. von
Salpetersäure durch Ammoniak im gasförmigen oder flüssigen Zustande oder in der
wechselseitigen Umsetzung von metallischen Nitraten, wie Natriumnitrat und Calciumnitrat,
mit. Ammoniaksalzen, wie Ammoniumsulfat oder Ammoniumcarbonat.
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Bei dem allgemein üblichen Verfahren der Oxydation von Ammoniak werden
die bei der Oxydation erhaltenen Oxyde von Stickstoff, nämlich Stickoxyd (NO), salpetrige
Säure (N203) und . Stickstoffdioxyd (N0,) in Absorptionstürmen mit Wasser
in Gegenwart eines Überschusses von Sauerstoff oder Luft zusammengebracht, wobei
man verdünnte Salpetersäure erhält. Die aus diesen Türmen erhaltene Säure enthält
nur 3o bis 50 Prozent Salpetersäure und selten mehr. Durch Neutralisierung
dieser Säure mit Ammoniak, erzielt man eine verdünnte Lösung von Ammoniumnitrat,
aus. welcher zur Gewinnung des festen Salzes eire erhebliche Menge Wasser verdampft
werden muß; bei dieser Verdampfung entstehen Verluste an Ammoniumnitrat. Die Türme,
in welchen die Absorption der Stickstoffoxyde durch Wasser bewirkt wird, müssen
sehr groß sein und sind daher sehr kostspielig: _ -Es -wurde nun gefunden, daß man
festes -Ammoniumnitrat von einem befriedigenden Reinheitsgrade unmittelbar dadurch
erhalten kann, daß man Stickstoffoxyde, Sauerstoff, Nasser und Ammoniak in geeigneten
Verhältnissen zusammenbringt. Die Gewinnung von Ammoniumnitrat gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ganz allgemein die gegenseitige Einwirkung von Stickstoffoxyden,
Sauerstoff, Wasser und gasförmigem Ammoniak unter solchen Bedingungen, daß die Menge
von Sauerstoff im Reaktionsgemisch im Überschuß zu der theoretischen Menge ist,
um die gesamten. Stickstoffoxyde in Stickstoffdioxyd umzuwandeln und die Menge Von
Ammoniak nicht genügend ist, um mit den ganzen Stickstoffoxyden zu reagieren. Weiter
soll die Menge Wasser nicht im Überschuß vorhanden sein, und sie ist zweckmäßig
gleich derjenigen, welche hinreicht, die ganze Menge des zugesetzten Ammoniaks unter
gleichzeitiger Mitwirkung der Stickstoffoxyde und Sauerstoff in Ammoniumnitrat umzuwandeln.
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Wenn die Gase etwa ro Volumprozent von Stickstoffoxyden enthalten,
wie sie beispielsweise durch - Oxydation von Ammoniak entstehen, so kann eine Menge
Sauerstoff hinzugefügt
werden, die etwa 3 bis 4 mal der theoretischen
Menge äquivalent ist, die erforderlich ist, um alle Stickstoffoxyde in Stickstoffdioxyd
umzuwandeln. Die Menge des überschüssigen Sauerstoffs hängt von der Konzentration
der Stickstoffoxyde ab, und zwar, je niedriger der Gehalt an Stickstoffoxyden ist;
um so größer soll die Menge Sauerstoff im Überschuß sein. Der Sauerstoff kann in
Gestalt vo'h gasförmigem Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft
hinzugeführt werden.
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Dem Gemisch von Stickstoffoxyden und Sauerstoff muß man hinreichend
Zeit lassen, damit die Reaktion, welche durch die Gleichung 2 N0+ 02 = 2N02 erläutert
ist, vollständig erfolgt, wie dies beispielsweise dadurch geschehen kann,odaß man
die Gase durch einen leeren Turm oder eine-Kammer von genügender Größe hinzutreten
läßt.
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Das für die Reaktion notwendige Wasser wird in fein verteiltem Zustande,
-beispielsweise als Dampf,. eingeführt oder auch in Gestalt eines Nebels oder in
sonstiger fein zerstäubter Form oder in Gestalt von Wasserdampf. Wie oben angegeben,
ist die Menge des Wassers in dem Reaktionsgemisch nicht im Überschuß und zweckmäßig
gleich derjenigen, welche hinreicht, das ganze Ammoniak in Ammoniumnitrat überzuführen
gemäß folgender Gleichung 4 NHs+ 2 H20-1- 4 N02-1- 02 = '4 (NHQN03).
Gibt man Ammoniak portionsweise hinzu und wird das erzeugte Ammoniumnitrat in j
eder Stufe entfernt, so muß die notwendige Menge Flüssigkeit vor oder gleichzeitig
mit der Einführung einer frischen Menge Ammoniak in das zurückbleibende Gas hinzugefügt
werden, Die stickstoffoxydhaltigen Gase können schon eine gewisse Menge Wasser enthalten.
Wenn diese größer ist, als erforderlich, um die gewünschten Resultate zu erzielen,
so wird Wasser dem Gase entzogen, indem man es beispielsweise abkühlt, während,
wenn die Menge Wasser zu gering ist, man solches zusetzt. Wenn man beispielsweise
Gase benutzt, die durch Oxydation von Ammoniak erhalten wurden und etwa - io Volumprozent
Stickstoffoxyde enthalten, so enthalten diese so hergestellten Gase zu viel Feuchtigkeit
für die Zwecke. dei vorliegenden Erfindung, wie aus der folgenden Gleichung ersichtlich
ist 4NHs+502 = 4N0+6H20. Solche Gase werden daher zum Zwecke der Entfernung eines
Teils des Wassers behandelt. Die Verminderung des Wassergehalts kann zweckmäßig
durch Kühlen der Gase- auf. etwa 2o° C oder darunter bewirkt werden, oder auf jede
andere geeignete Weise; bis der Wasserphalt auf den gewünschten Gradheruntergegangen
ist. Bei chemischen Prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Salpetersäure
entstehende Stickoxydgase können nach dem gleichen Verfahren behandelt werden.
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Das für die Herstellung von Ammoniumnitrat benutzte Ammoniakgas. wird
zweckmäßig mit Sauerstoff erhitzt, welcher in ähnlicher Weise dem Ammoniak in Gestalt
von gasförmigem Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft hinzugefügt
werden kann. Hierzu kann man Luft verwenden, die etwa 12 Volumprozent Ammoniak beigemischt
enthält.
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Die Menge des mit den Stickstoffoxyde enthaltenden Gasen zusammengebrachten
Ammoniaks soll nicht genügen, mit den ganzen vorhandenen Mengen Stickstoffoxyden
zu reagieren, so daß also immer Stickstoffoxyde und Luft zugegen sind.
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Es ist vorteilhaft, nur etwa i/3 der theoretisch notwendigen Menge
Ammoniak hinzuzufügen, die für die Einwirkung auf die Stickstoffoxyde notwendig
ist, wenn die durch die Oxydation von Ammoniak erhaltenen Gase, die etwa iö Prozent'
Stickstoffoxyde enthalten, vor der Zufuhr der notwendigen Luft -benutzt werden sollen.
Zweckmäßig wird das Gemisch von Ammoniak und Luft oder Sauerstoff in die Mitte der
Kammer eingeführt, in welcher die Vermischung mit den Oxyden von Stickstoff stattfindet,
und das Gemisch von Ammoniak und Luft oder Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter
Luft wird mit großer Geschwindigkeit eingeführt. Kurz und gut, man trägt Vorsorge,
daß das Ammoniak stets mit einem Überschuß von Stickstoffoxyden zusammenkommt. Weiterhin
muß das Vermischen in genügend großen Räumen stattfinden. Beispielsweise muß genügend
Raum vorhanden sein, damit das Gas in demselben 2 Minuten verbleiben kann: Zur Ausführung
der Erfindung benutzt man einen Apparat, in welchen die Feuchtigkeit enthaltenden
Stickstoffoxyde, beispielsweise von der Oxydation von Ammoniak herrührend, durch
einen Kühler geleitet werden, der aus einer Schlange von säurefestem Material bestehen
kann, der durch Wasser oder eine besondere Kühleinrichtung die notwendige Temperatur
erteilt wird. Das Kondensat wird durch ein Ventil entfernt und die nun die erforderliche
Menge Feuchtigkeit enthaltenden Gase strömen . zu einer Oxydationskammer oder einem
Turm. Bevor dies geschieht, läßt man Luft oder Sauerstoff hinzutreten. Das voll
oxydierte Gas, welches den, Turm verläßt, wird, wenn notwendig, wiederum gekühlt
und strömt zu einer ersten Reaktionskammer weiter, wobei geeignete Prellplatten
vor dem Eintritt und dem Austritt der Gase vorhanden sind, um diese in der Kammer
gut durchzumischen. In eine
geeigneten Teil der Kammer, beispielsweise
in die Mitte, wird das Gemisch von Luft und Ammoniak in den vorgesehenen Mengenverhältnissen
hinzutreten gelassen.
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In der ersten Reaktionskammer setzt sich 'festes Ammoniumnitrat ab
und kann auf geeignete Weise entfernt werden. Die festen Bestandteile, welche vom
Gärstrom mitgeführt werden, können in einer mit Prellplatten versehenen Kammer gesammelt
werden. Die unverbrauchten Stickstoffoxyde treten alsdann in eine zweite Reaktionskammer
über, wo sie mit einer zweiten Menge Ammoniak behandelt werden, und es wird in derselben
Weise, wie oben beschrieben, wiederum festes Ammoniumnitrat abgeschieden. Dasselbe
wiederholt sich in den nachfolgenden Kammern, bis die Menge von zurückbleibenden
Stickstoffoxyden zu gering ist, um für eine weitere Behandlung geeignet zu sein.
Das Gas wird dann entweder. verworfen oder -mit frischen Mengen von Stickstoffoxyden
angereichert und o alsdann nach ,Zusatz der geeigneten Menge Feuchtigkeit -wieder
iun in der früher bezeichneten Weise verarbeitet.
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Um für die Oxydation der Gase genügend Zeit zu lassen, welche sich
immer mehr verdünnen, wie die Reaktionen in den darauffolgenden Kammern stattfinden,
kann man die Größe dieser Kammern entsprechend einrichten, damit in jeder genügend
Zeit für die Wiederoxydation vorhanden ist. Man kann auch zwischen je zwei Reaktionskammern
eine leere Kammer oder einen leeren Turm, welcher in ähnlicher Weise als Oxydationsraum
dient, einschalten, in welchem die Gase genügende Zeit verbleiben müssen, bis sie
hinreichend oxydiert sind. Die .Größen dieser Kammern und der Oxydationsräume können
von der bekannten Oxydationsgeschwindigkeit des Stickoxyds (NO) in verdünntem
Zustande zu Stickstoffdioxyd (N OZ) abgeleitet werden, wie dies in den Versuchen
von Lunge und Berl, Zeitschrift für angewandte Chemie, Band 2o, S. 1716 und 19o7
angegeben 'ist.
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Unter diesen Bedingungen erhält man Ammoniumnitrat in Gestalt eines
feinen, reinen und trockenen Pulvers, welches sich in den mit Prellplatten versehenen
Kammern absetzt und auf irgendeine Weise gesammelt werden kann, und die letzten
Spuren können durch Filtration, durch Drahtschirme oder metallische Gewebe, die
durch Stickstoffoxyde nicht angegriffen werden, oder auf andere Weise, etwa durch
elektrische Niederschlagung, entfernt werden. Dieses Pulver, welches im Augenblick
seiner Niederschlagung sehr voluminös ist, wird nach mehrstündigem Stehen kompakter.
Wenn die Bildung des Ammoniumnitrats in Gegenwart von festem Ammoniumnitrat stattfindet,
so scheidet sich auch das Nitrat aus den Gasen in fester Form aus. Die .unverbrauchten
Stickstoffoxyde in den abströmenden Gasen können von neuem in der angegebenen Weise,
entweder direkt oder nach Anreicherung mit frischen Stickstoffoxyden, verarbeitet
oder auf andere Weise nutzbar gemacht werden.
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Wenn man so arbeitet, erhält man festes Ammoniumnitrat frei vom Nitrit,
und die Verluste sind geringer als .diejenigen, welche den bisherigen Verfahren
zur Herstellung von Ammoniumnitrat anhaften. Die in den Säureabsorptionstürmen bei
der Neutralisation von verdünnter Salpetersäure und bei der Verdampfung einer Lösung
von Natriumnitrat vorkommenden Verluste werden hierdurch vermieden, ebenso vermeidet
man die Verluste, die von unvollständiger Zersetzung, von Filtration und Verdampfung
herrühren.