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WO2024251396A1 - Compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia, and plant for producing ammonia - Google Patents

Compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia, and plant for producing ammonia Download PDF

Info

Publication number
WO2024251396A1
WO2024251396A1 PCT/EP2024/055010 EP2024055010W WO2024251396A1 WO 2024251396 A1 WO2024251396 A1 WO 2024251396A1 EP 2024055010 W EP2024055010 W EP 2024055010W WO 2024251396 A1 WO2024251396 A1 WO 2024251396A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrogen
nitrogen
pressure level
compression system
ammonia
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/055010
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Markus SCHÜRMANN
Original Assignee
Man Energy Solutions Se
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Man Energy Solutions Se filed Critical Man Energy Solutions Se
Publication of WO2024251396A1 publication Critical patent/WO2024251396A1/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F04D25/163—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows driven by a common gearing arrangement
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/025—Preparation or purification of gas mixtures for ammonia synthesis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps

Definitions

  • Compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen of an ammonia production plant and ammonia production plant
  • the invention relates to a compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia.
  • the invention also relates to a plant for producing ammonia.
  • Plants known in practice for producing ammonia are based on the use of fossil fuels in particular, which are used in particular for the compression of the coolant, hydrogen and nitrogen. This generates CO2 emissions.
  • the invention is based on the object of creating a novel compression system for compressing coolant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia and a plant for producing ammonia with such a compression system.
  • the compression system according to the invention for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia has a first integral gear to which several refrigerant compressors are coupled in order to compress the refrigerant in stages.
  • the compression system also has a first compressor which serves to compress the hydrogen and nitrogen to an inlet pressure level for an ammonia synthesis device, the first compressor also being coupled to the first integral gear.
  • a first electric machine for driving the refrigerant compressors and the first compressor is coupled to the first integral gear.
  • the system according to the invention for producing ammonia has a hydrogen production device, designed in particular as an electrolysis device, for producing hydrogen and a nitrogen production device, designed in particular as an air separation device, for producing nitrogen.
  • the system according to the invention for producing ammonia also has a compression system according to the invention for compressing coolant, hydrogen and nitrogen and an ammonia synthesis device for producing the ammonia from compressed hydrogen and compressed nitrogen.
  • the system therefore has the first integral gear of the compression system according to the invention, to which the multiple coolant compressors thereof are coupled in order to compress the coolant for the ammonia synthesis device in stages, wherein the first compressor of the compression system according to the invention, which serves to compress the hydrogen and nitrogen to an inlet pressure level for the ammonia synthesis device, is coupled to the first integral gear, and wherein the first electric machine for driving the coolant compressors and the first compressor is coupled to the first integral gear.
  • the invention allows efficient compression of refrigerant, hydrogen and nitrogen and efficient production of, in particular, green or CO2-neutral ammonia. If it is not possible, or not possible to a sufficient extent, to produce hydrogen in the hydrogen production device of the plant for producing ammonia and/or nitrogen in the nitrogen production device, in particular using renewable energy sources, the ammonia synthesis device can continue to be operated to a certain extent via the first integral gear of the compression system according to the invention by feeding hydrogen and nitrogen that is not converted to ammonia during ammonia synthesis in the ammonia synthesis device back to the ammonia synthesis device via the first compressor of the compression system according to the invention, which is coupled to the first integral gear. This can increase the availability and efficiency of the plant for producing ammonia, in particular green or CO2-neutral ammonia.
  • the ammonia synthesis device In a preferred development of the system according to the invention for producing ammonia, hydrogen and nitrogen not converted to ammonia in the ammonia synthesis device leave the ammonia synthesis device at an output pressure level of the ammonia synthesis device.
  • the first compressor of the compression system according to the invention compresses the hydrogen and nitrogen from the output pressure level of the ammonia synthesis device to the input pressure level of the ammonia synthesis device. This is particularly preferred in order to produce green or CO2-neutral ammonia.
  • the hydrogen and nitrogen leaving the ammonia synthesis device at the initial pressure level, which is not converted to ammonia in the ammonia synthesis device is mixed via a mixing device with hydrogen and nitrogen compressed to the initial pressure level by second compressors of a further compression system of the plant, which was produced or manufactured via the hydrogen generation device and the nitrogen generation device.
  • a mixing device with hydrogen and nitrogen compressed to the initial pressure level by second compressors of a further compression system of the plant, which was produced or manufactured via the hydrogen generation device and the nitrogen generation device.
  • the hydrogen generation device of the inventive plant for producing ammonia provides the hydrogen at a first pressure level
  • the nitrogen generation device of the inventive plant for producing ammonia provides the nitrogen at a second pressure level, which is greater or higher than the first pressure level.
  • a third compressor of the further compression system of the inventive plant for producing ammonia compresses the hydrogen to the second pressure level, wherein the second compressors of the further compression system compress the hydrogen and nitrogen starting from the second pressure level in stages to the output pressure level of the ammonia synthesis device for unreacted hydrogen and nitrogen, which is greater or higher than the second pressure level, wherein these second compressors of the further compression system are coupled to a second integral gear of the further compression system, and wherein a second electric machine for driving the second compressors coupled to the second integral gear is coupled to the second integral gear.
  • the third compressor of the additional compression system is coupled via an intermediate gear to the second electric machine coupled to the second integral gear of the additional compression system and can also be driven by the second electric machine. This further development is also particularly preferred for producing green or CO2-neutral ammonia.
  • Fig. 1 is a diagram of a plant for the production of ammonia, which includes a compression system for the compression of hydrogen and nitrogen.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of a plant 10 according to the invention for producing ammonia NH3.
  • the plant 10 serves for the efficient production of green ammonia NH3 in particular, i.e. the production of CO2-neutral ammonia NH3 in particular using exclusively renewable energy sources.
  • the system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 has a compression system 10a according to the invention for compressing coolant, hydrogen H2 and nitrogen N2.
  • Fig. 1 also shows components of a further compression system 10b of the system 10 according to the invention.
  • the system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 has a hydrogen generation device, designed in the embodiment shown as an electrolysis device 11, for producing hydrogen H2.
  • the hydrogen H2 is produced in the electrolysis device 11 from water H2O, whereby oxygen O2 is also produced here, which is, however, of secondary importance for the consideration of the invention.
  • the hydrogen generation device electrolysis device 11 preferably uses at least one regenerative energy source 40 to produce the hydrogen H2, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 40.
  • the system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 also has a nitrogen generating device, designed as an air separation device 12 in the embodiment shown, for producing nitrogen N2.
  • the air separation device 12 produces the nitrogen N2 from air.
  • the nitrogen generating device or air separation device 12 also uses at least one regenerative energy source 41 to produce the nitrogen N2, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 41.
  • the system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 also has an ammonia synthesis device 13.
  • the ammonia synthesis device 13 is preferably based on the Haber-Bosch principle.
  • the ammonia synthesis device 13 produces the ammonia NH3 from the nitrogen N2 and the hydrogen H2, whereby the hydrogen H2 provided by the hydrogen production device or electrolysis device 11 and the nitrogen N2 provided by the nitrogen production device or air separation device 12 are compressed using several compressors 15, 16, 17, 18 and 19.
  • a first compressor 19, which is an assembly of the compression system 10a according to the invention, is coupled to a first integral gear 20 of the compression system 10a according to the invention, wherein several refrigerant compressors 21, 22, 23, 24, 25, 26 of the compression system 10a according to the invention are also coupled to this first integral gear 20, which are integrated into a refrigerant circuit 27 in order to provide cooling for the ammonia synthesis device 13 via a refrigerant. Ammonia can be used as the refrigerant.
  • a first electric machine 27 is also coupled to the first integral gear 20, which serves to drive the refrigerant compressors 21 to 26 and to drive the first compressor 19 of the compression system 10a according to the invention.
  • the first integral gear 20 has a large gear 28 and a pinion 29. The first electric machine 27 drives the large gear 28 and, via the pinions 29 meshing with the large gear 28, the first compressor 19 and the refrigerant compressors 21 to 26.
  • the first compressor 19 provides the nitrogen N2 and the hydrogen H2 at an inlet pressure level for the ammonia synthesis device 13. This first compressor 19 compresses the nitrogen N2 and the hydrogen H2 to this inlet pressure level starting from an outlet pressure level of the ammonia synthesis device 13, namely from that outlet pressure level of the ammonia synthesis device 13 at which hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 and nitrogen N2 not converted to ammonia leave the ammonia synthesis device 13.
  • the hydrogen H2 and nitrogen N2 leaving the ammonia synthesis device 13 and not converted to ammonia NHs in the same can be mixed in the region of a mixing device 30 with hydrogen H2 and nitrogen N2 provided by the hydrogen generation device or electrolysis device 11 and nitrogen generation device or air separation device 12 and compressed via the compressors 15, 16, 17 and 18 of the further compression system 10b to the initial pressure level of the ammonia synthesis device 13.
  • the hydrogen generation device or electrolysis device 11 preferably provides the hydrogen H2 at a first pressure level
  • the nitrogen generation device or air separation device 12 preferably provides the nitrogen N2 at a second pressure level which is greater or higher than the first pressure level.
  • the mixture of nitrogen N2 and hydrogen H2 is compressed step by step via the several second compressors 16, 17 and 18, which are also components of the further compression system 10b, to the initial pressure level of the ammonia synthesis device 13, i.e. to the pressure level at which nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 leave the ammonia synthesis device 13.
  • the plurality of second compressors 16, 17 and 18 are coupled to a second integral gear 32 of the further compression system 10b, of which a large gear 33 and pinion 34 are shown.
  • a second electric machine 35 is coupled to this second integral gear 32, which serves to drive the large gear 33 of the second integral gear 32 and, via the pinions 34 meshing with the large gear 33, to drive the plurality of second compressors 16, 17, 18.
  • the third compressor 15, which serves to compress the hydrogen H2 provided by the hydrogen generation device or electrolysis device 11 from the first pressure level to the second pressure level, can also be driven by the second electric machine 35, wherein an intermediate gear 36 is coupled between the second electric machine 35 and the third compressor 15.
  • a clutch 37 is connected between the second electric machine 35 and the second integral transmission 32. Further clutches 38 and 39 are connected between the intermediate transmission 36 and the electric machine 35 and between the intermediate transmission 36 and the third compressor 15.
  • the second compressors 16, 17 and 18 of the further compression system 10b are preferably pot compressors.
  • the third compressor 25 is preferably designed as a screw compressor.
  • the first integral gear 20, the first compressor 19 and/or the refrigerant compressors 21, 22, 23, 24, 25, 26 of the compression system 10a according to the invention form an integral gear compressor.
  • the hydrogen generation device or electrolysis device 11 uses at least one regenerative energy source 40 to generate the hydrogen, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 40.
  • the nitrogen generation device or air separation device 12 also uses at least one regenerative energy source 41 to generate the nitrogen, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 41.
  • a nitrogen generation device is also referred to as a nitrogen generator.
  • An air separation device 12 can be based on the principle of pressure swing adsorption or on the principle of membrane technology. Electrical energy generated by at least one renewable energy source (not shown in Fig. 1) can also be used to drive the electrical machines 27, 35. Furthermore, electrical energy generated by at least one renewable energy source (not shown in Fig. 1) can be used in the area of the ammonia synthesis device 20.
  • a special feature of the system 10 for producing ammonia is that if, for example, due to only a limited availability of renewable energy sources 40, 41 in the area of the hydrogen generation device or electrolysis device 11, no hydrogen H2 can be produced and/or in the area of the nitrogen generation device or air separation device 12, no nitrogen N2 can be produced in sufficient quantities and/or the compression system 10b comprising the second integral gear 32 is no longer running, N2 and H2 can still be conveyed through the ammonia synthesis device 20 via the first integral gear 20 of the compression system 10a according to the invention, which can be driven by the electric machine 27. Ammonia NH3 can then still be produced as a result. Although the amount of ammonia NH3 produced will then be lower, longer operating times and more uniform operation for the ammonia synthesis device 20 can be provided.
  • the outlet pressure level of the nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 and thus the inlet pressure level of the first compressor 19 is in particular in the order of magnitude between 140 bar and 200 bar, i.e. is in particular 10 bar lower than the inlet pressure level of the ammonia synthesis device 13.
  • Nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 is also referred to as recycle gas.
  • the first pressure level at which the hydrogen generation device or electrolysis device 11 provides the hydrogen H2 can be between 1 bar and 30 bar
  • the second pressure level at which the nitrogen generation device or air separation device 12 provides the nitrogen N2 can be between 7 bar and 30 bar.
  • the first pressure level at which the electrolysis device 11 provides the hydrogen H2 is 1 bar
  • the second pressure level is 7 bar.
  • the third compressor 15 compresses the hydrogen H2 to the second pressure level.
  • the number of second compressors 16, 17, 18 shown in Fig. 1 is exemplary in nature. Depending on the second pressure level, only two second compressors may be used. There may also be four first compressors.
  • the second compressors 16, 17 and 18 compress the mixture of nitrogen N2 and hydrogen H2 to the inlet pressure level of the first compressor 19, in stages.
  • the outlet pressure level of the second compressor 16 can be in particular 30 bar and the outlet pressure level of the second compressor 17 can be in particular 70 bar.
  • compressors 15, 16, 17, 18, 19 and the refrigerant compressors 21 to 26 are shown only schematically and can have several stages. Compressors can be arranged in pairs back-to-back. Compressed gas leaving a compressor can be intermediately cooled.
  • the ammonia synthesis in the ammonia synthesis device 13 is an exothermic reaction.
  • the refrigerant in the refrigerant circuit 27 can be recooled against water H2O. Water vapor can be generated in the process.
  • Fig. 1 shows a turbine 43 to which water vapor can be supplied for expansion and to generate electrical energy, wherein expanded water vapor can be discharged from the turbine 43.
  • the turbine 43 can be coupled to the first integral gear 20 via a clutch 42, in particular a self-synchronizing clutch 42, in order to take over part of the drive power for the compression system 10a according to the invention and to reduce the power consumption or electricity consumption of the first electrical machine 27.
  • the compression system 10a is started with the first electrical machine 27.
  • the turbine 43 can be coupled to the first integral gear 20 during operation via the clutch 42.
  • Fig. 1 shows the turbine 43 with the supply of vaporous water H2O to be expanded and with the removal of expanded vaporous water H2O.
  • the recooling of the refrigerant of the refrigerant circuit 27 against the water in a heat exchanger is not shown in Fig. 1 for the sake of clarity.
  • the invention allows advantageous, efficient production of ammonia NH3, in particular green or CO2-neutral ammonia NH3, with little installation space required and low costs.
  • the system 10 for producing ammonia NH3 is characterized by a high level of efficiency.
  • the compression system 10a according to the invention allows efficient compression of coolant, hydrogen and nitrogen.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a compression system (10a) for compressing refrigerant, hydrogen, and nitrogen in a plant for producing ammonia, said compression system comprising: a first integral gearbox (20) to which a plurality of refrigerant compressors (21, 22, 23, 24, 25, 26) are coupled in order to compress the refrigerant in stages; and a first compressor (19) which is used to compress the hydrogen and nitrogen to an input pressure level for an ammonia synthesis apparatus (13) and which is also coupled to the first integral gearbox (20), wherein a first electric machine (27) for driving the refrigerant compressors (21, 22, 23, 24, 25, 26) and the first compressor (19) is coupled to the first integral gearbox (20).

Description

Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak und Anlage zur Erzeugung von Ammoniak Compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen of an ammonia production plant and ammonia production plant

Die Erfindung betrifft ein Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Erzeugung von Ammoniak. The invention relates to a compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia. The invention also relates to a plant for producing ammonia.

Aus der Praxis bekannte Anlagen zur Erzeugung von Ammoniak beruhen auf der Verwendung insbesondere fossiler Energieträger, die insbesondere für die Verdichtung des Kältemittels, Wasserstoffs und Stickstoffs genutzt werden. Hierbei fallen CO2-Emissionen an. Plants known in practice for producing ammonia are based on the use of fossil fuels in particular, which are used in particular for the compression of the coolant, hydrogen and nitrogen. This generates CO2 emissions.

Es besteht Bedarf an einer effizienten Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, welche insbesondere geeignet ist, grünes Ammoniak zu erzeugen, also CO2- neutrales Ammoniak. Ferner besteht Bedarf an einem Verdichtungssystem zur effizienten Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer solchen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak und eine Anlage zur Erzeugung von Ammoniak mit einem solchen Verdichtungssystem zu schaffen. There is a need for an efficient plant for producing ammonia, which is particularly suitable for producing green ammonia, i.e. CO2-neutral ammonia. There is also a need for a compression system for the efficient compression of coolant, hydrogen and nitrogen in such a plant for producing ammonia. Based on this, the invention is based on the object of creating a novel compression system for compressing coolant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia and a plant for producing ammonia with such a compression system.

Diese Aufgabe wird durch ein Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff gemäß Anspruch 1 und durch eine Anlage zur Erzeugung von Ammoniak gemäß Anspruch 5 gelöst. Das erfindungsgemäße Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak weist ein erstes Integralgetriebe auf, an welches mehrere Kältemittelverdichter gekoppelt sind, um das Kältemittel stufenweise zu verdichten. Das Verdichtungssystem weist ferner einen ersten Verdichter auf, welcher der Verdichtung des Wasserstoffs und Stickstoffs auf ein Eingangsdruckniveau für eine Ammoniaksynthesevorrichtung dient, wobei der erste Verdichter ebenfalls an das erste Integralgetriebe gekoppelt ist. An das erste Integralgetriebe ist eine erste elektrische Maschine zum Antreiben der Kältemittelverdichter und des ersten Verdichters gekoppelt. This object is achieved by a compression system for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen according to claim 1 and by a plant for producing ammonia according to claim 5. The compression system according to the invention for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia has a first integral gear to which several refrigerant compressors are coupled in order to compress the refrigerant in stages. The compression system also has a first compressor which serves to compress the hydrogen and nitrogen to an inlet pressure level for an ammonia synthesis device, the first compressor also being coupled to the first integral gear. A first electric machine for driving the refrigerant compressors and the first compressor is coupled to the first integral gear.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Ammoniak weist eine insbesondere als Elektrolysevorrichtung ausgebildete Wasserstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und eine insbesondere als Luftseparationsvorrichtung ausgebildeten Stickstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff auf. Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Ammoniak weist ferner ein erfindungsgemäßes Verdichtungssystem zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff und eine Ammoniaksynthesevorrichtung zur Erzeugung des Ammoniaks aus verdichtetem Wasserstoff und verdichtetem Stickstoff auf. Die Anlage weist demnach das erste Integralgetriebe des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems auf, an welches die mehreren Kältemittelverdichter desselben gekoppelt sind, um das Kältemittel für die Ammoniaksynthesevorrichtung stufenweise zu verdichten, wobei der erste Verdichter des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems, welcher der Verdichtung des Wasserstoffs und Stickstoffs auf ein Eingangsdruckniveau für die Ammoniaksynthesevorrichtung dient, an das erste Integralgetriebe gekoppelt ist, und wobei an das erste Integralgetriebe die erste elektrische Maschine zum Antreiben der Kältemittelverdichter und des ersten Verdichters gekoppelt ist. The system according to the invention for producing ammonia has a hydrogen production device, designed in particular as an electrolysis device, for producing hydrogen and a nitrogen production device, designed in particular as an air separation device, for producing nitrogen. The system according to the invention for producing ammonia also has a compression system according to the invention for compressing coolant, hydrogen and nitrogen and an ammonia synthesis device for producing the ammonia from compressed hydrogen and compressed nitrogen. The system therefore has the first integral gear of the compression system according to the invention, to which the multiple coolant compressors thereof are coupled in order to compress the coolant for the ammonia synthesis device in stages, wherein the first compressor of the compression system according to the invention, which serves to compress the hydrogen and nitrogen to an inlet pressure level for the ammonia synthesis device, is coupled to the first integral gear, and wherein the first electric machine for driving the coolant compressors and the first compressor is coupled to the first integral gear.

Die Erfindung erlaubt eine effiziente Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff und eine effiziente Herstellung von insbesondere grünem bzw. CO2- neutralem Ammoniak. Sollte es nicht oder nicht in ausreichendem Umfang möglich sein, in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der Anlage zur Erzeugung von Ammoniak Wasserstoff und/oder in der Stickstofferzeugungsvorrichtung Stickstoff insbesondere unter Nutzung regenerativer Energiequellen herzustellen, so kann die Ammoniaksynthesevorrichtung in gewissem Umfang über das erste Integralgetriebe des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems weiter betrieben werden, indem Wasserstoff und Stickstoff, der bei der Ammoniaksynthese in der Ammoniaksynthesevorrichtung nicht zu Ammoniak umgesetzt wird, der Ammoniaksynthesevorrichtung über den ersten Verdichter des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems, der an das erste Integralgetriebe gekoppelt ist, wieder zugeführt wird. Hiermit können die Verfügbarkeit sowie der Wirkungsgrad der Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, insbesondere von grünem bzw. CO2-neutralem Ammoniak, erhöht werden. The invention allows efficient compression of refrigerant, hydrogen and nitrogen and efficient production of, in particular, green or CO2-neutral ammonia. If it is not possible, or not possible to a sufficient extent, to produce hydrogen in the hydrogen production device of the plant for producing ammonia and/or nitrogen in the nitrogen production device, in particular using renewable energy sources, the ammonia synthesis device can continue to be operated to a certain extent via the first integral gear of the compression system according to the invention by feeding hydrogen and nitrogen that is not converted to ammonia during ammonia synthesis in the ammonia synthesis device back to the ammonia synthesis device via the first compressor of the compression system according to the invention, which is coupled to the first integral gear. This can increase the availability and efficiency of the plant for producing ammonia, in particular green or CO2-neutral ammonia.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak verlässt in der Ammoniaksynthesevorrichtung nicht zu Ammoniak umgesetzter Wasserstoff und Stickstoff die Ammoniaksynthesevorrichtung auf einem Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung. Der erste Verdichter des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems verdichtet den Wasserstoff und Stickstoff ausgehend von dem Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung auf das Eingangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung. Dies ist besonders bevorzugt, um grünes bzw. CO2-neutrales Ammoniak herzustellen. In a preferred development of the system according to the invention for producing ammonia, hydrogen and nitrogen not converted to ammonia in the ammonia synthesis device leave the ammonia synthesis device at an output pressure level of the ammonia synthesis device. The first compressor of the compression system according to the invention compresses the hydrogen and nitrogen from the output pressure level of the ammonia synthesis device to the input pressure level of the ammonia synthesis device. This is particularly preferred in order to produce green or CO2-neutral ammonia.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak wird der die Ammoniaksynthesevorrichtung auf dem Ausgangsdruckniveau verlassende Wasserstoff und Stickstoff, der in der Ammoniaksynthesevorrichtung nicht zu Ammoniak umgesetzt wird, über eine Mischeinrichtung mit von zweiten Verdichtern eines weiteren Verdichtungssystems der Anlage auf das Ausgangsdruckniveau verdichtetem Wasserstoff und Stickstoff gemischt, der über die Wasserstofferzeugungsvorrichtung und die Stickstofferzeugungsvorrichtung erzeugt bzw. hergestellt wurde. Dies ist besonders bevorzugt, um grünes bzw. CO2-neutrales Ammoniak herzustellen. Vorzugsweise stellt die Wasserstofferzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak den Wasserstoff auf einem ersten Druckniveau und die Stickstofferzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak den Stickstoff auf einem zweiten Druckniveau bereit, welches größer oder höher ist als das erste Druckniveau. Ein dritter Verdichter des weiteren Verdichtungssystems der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Ammoniak verdichtet den Wasserstoff auf das zweite Druckniveau, wobei die zweiten Verdichter des weiteren Verdichtungssystems den Wasserstoff und Stickstoff ausgehend vom zweiten Druckniveau stufenweise auf das Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung für nicht umgesetzten Wasserstoff und Sticksoff verdichten, welches größer oder höher ist als das zweite Druckniveau ist, wobei diese zweiten Verdichter des weiteren Verdichtungssystems an ein zweites Integralgetriebe des weiteren Verdichtungssystems gekoppelt sind, und wobei an das zweite Integralgetriebe eine zweite elektrische Maschine zum Antreiben der an das zweite Integralgetriebe gekoppelten zweiten Verdichter gekoppelt ist. Der dritte Verdichter des weiteren Verdichtungssystems ist über ein Zwischengetriebe an die an das zweite Integralgetriebe des weiteren Verdichtungssystems gekoppelte zweite elektrische Maschine gekoppelt und auch von der zweiten elektrischen Maschine aus antreibbar. Auch diese Weiterbildung ist besonders bevorzugt, um grünes bzw. CO2-neutrales Ammoniak herzustellen. In a preferred development of the plant according to the invention for producing ammonia, the hydrogen and nitrogen leaving the ammonia synthesis device at the initial pressure level, which is not converted to ammonia in the ammonia synthesis device, is mixed via a mixing device with hydrogen and nitrogen compressed to the initial pressure level by second compressors of a further compression system of the plant, which was produced or manufactured via the hydrogen generation device and the nitrogen generation device. This is particularly preferred in order to produce green or CO2-neutral ammonia. Preferably, the hydrogen generation device of the inventive plant for producing ammonia provides the hydrogen at a first pressure level and the nitrogen generation device of the inventive plant for producing ammonia provides the nitrogen at a second pressure level, which is greater or higher than the first pressure level. A third compressor of the further compression system of the inventive plant for producing ammonia compresses the hydrogen to the second pressure level, wherein the second compressors of the further compression system compress the hydrogen and nitrogen starting from the second pressure level in stages to the output pressure level of the ammonia synthesis device for unreacted hydrogen and nitrogen, which is greater or higher than the second pressure level, wherein these second compressors of the further compression system are coupled to a second integral gear of the further compression system, and wherein a second electric machine for driving the second compressors coupled to the second integral gear is coupled to the second integral gear. The third compressor of the additional compression system is coupled via an intermediate gear to the second electric machine coupled to the second integral gear of the additional compression system and can also be driven by the second electric machine. This further development is also particularly preferred for producing green or CO2-neutral ammonia.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Preferred developments of the invention emerge from the subclaims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being limited thereto. In the drawing:

Fig. 1 ein Schema einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, die als Bestandteil ein Verdichtungssystem zur Verdichtung von Wasserstoff und Stickstoff aufweist. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3. Die Anlage 10 dient dabei der effizienten Erzeugung von insbesondere grünem Ammoniak NH3, also der Erzeugung von CO2-neutralem Ammoniak NH3 insbesondere unter Nutzung ausschließlich regenerativer Energiequellen. Fig. 1 is a diagram of a plant for the production of ammonia, which includes a compression system for the compression of hydrogen and nitrogen. Fig. 1 shows a preferred embodiment of a plant 10 according to the invention for producing ammonia NH3. The plant 10 serves for the efficient production of green ammonia NH3 in particular, i.e. the production of CO2-neutral ammonia NH3 in particular using exclusively renewable energy sources.

Die erfindungsgemäße Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3 weist ein erfindungsgemäßes Verdichtungssystem 10a zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 auf. Fig. 1 zeigt ferner Baugruppen eines weiteren Verdichtungssystems 10b der erfindungsgemäße Anlage 10. The system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 has a compression system 10a according to the invention for compressing coolant, hydrogen H2 and nitrogen N2. Fig. 1 also shows components of a further compression system 10b of the system 10 according to the invention.

Die erfindungsgemäße Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3 verfügt über eine im gezeigten Ausführungsbeispiel als Elektrolysevorrichtung 11 ausgebildete Wasserstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff H2. Der Wasserstoff H2 wird dabei in der Elektrolysevorrichtung 11 aus Wasser H2O erzeugt, wobei hier auch Sauerstoff O2 anfällt, der jedoch für die Betrachtung der Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung Elektrolysevorrichtung 11 nutzt vorzugsweise mindestens eine regenerative Energiequelle 40 zur Erzeugung des Wasserstoffs H2, also von mindestens einer regenerativen Energiequelle 40 erzeugte elektrische Energie. The system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 has a hydrogen generation device, designed in the embodiment shown as an electrolysis device 11, for producing hydrogen H2. The hydrogen H2 is produced in the electrolysis device 11 from water H2O, whereby oxygen O2 is also produced here, which is, however, of secondary importance for the consideration of the invention. The hydrogen generation device electrolysis device 11 preferably uses at least one regenerative energy source 40 to produce the hydrogen H2, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 40.

Die erfindungsgemäße Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3 verfügt weiterhin über eine im gezeigten Ausführungsbeispiel als Luftseparationsvorrichtung 12 ausgebildete Stickstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff N2. Die Luftseparationseinrichtung 12 erzeugt den Stickstoff N2 aus Luft. Auch die Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 nutzt zur Erzeugung des Stickstoffs N2 mindestens eine regenerative Energiequelle 41 , also von mindestens einer regenerativen Energiequelle 41 erzeugte elektrische Energie. Die erfindungsgemäße Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3 verfügt weiterhin über eine Ammoniaksynthesevorrichtung 13. Die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 beruht dabei vorzugsweise auf dem Haber-Bosch-Prinzip. Die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 erzeugt den Ammoniak NH3 aus dem Stickstoff N2 und dem Wasserstoff H2, wobei hierzu der von der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 bereitgestellte Wasserstoff H2 und der von der Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 bereitgestellte Stickstoff N2 mithilfe mehrerer Verdichter 15, 16, 17, 18 und 19 verdichtet wird. The system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 also has a nitrogen generating device, designed as an air separation device 12 in the embodiment shown, for producing nitrogen N2. The air separation device 12 produces the nitrogen N2 from air. The nitrogen generating device or air separation device 12 also uses at least one regenerative energy source 41 to produce the nitrogen N2, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 41. The system 10 according to the invention for producing ammonia NH3 also has an ammonia synthesis device 13. The ammonia synthesis device 13 is preferably based on the Haber-Bosch principle. The ammonia synthesis device 13 produces the ammonia NH3 from the nitrogen N2 and the hydrogen H2, whereby the hydrogen H2 provided by the hydrogen production device or electrolysis device 11 and the nitrogen N2 provided by the nitrogen production device or air separation device 12 are compressed using several compressors 15, 16, 17, 18 and 19.

Ein erster Verdichter 19, der eine Baugruppe des erfindungsgemäßes Verdichtungssystem 10a ist, ist an ein erstes Integralgetriebe 20 des erfindungsgemäßes Verdichtungssystem 10a gekoppelt, wobei an dieses erste Integralgetriebe 20 ferner mehrere Kältemittelverdichter 21 , 22, 23, 24, 25, 26 des erfindungsgemäßes Verdichtungssystem 10a gekoppelt sind, die in einen Kältemittelkreislauf 27 eingebunden sind, um für die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 eine Kühlung über ein Kältemittel bereitzustellen. Als Kältemittel kann Ammoniak genutzt werden. An das erste Integralgetriebe 20 ist weiterhin eine erste elektrische Maschine 27 gekoppelt, die dem Antreiben der Kältemittelverdichter 21 bis 26 und dem Antreiben des ersten Verdichters 19 des erfindungsgemäßen Verdichtungssystem 10a dient. Das erste Integralgetriebe 20 weist ein Großrad 28 sowie Ritzel 29 auf. Die erste elektrische Maschine 27 treibt das Großrad 28 und über die in das Großrad 28 kämmenden Ritzel 29 den ersten Verdichter 19 sowie die Kältemittelverdichter 21 bis 26 an. A first compressor 19, which is an assembly of the compression system 10a according to the invention, is coupled to a first integral gear 20 of the compression system 10a according to the invention, wherein several refrigerant compressors 21, 22, 23, 24, 25, 26 of the compression system 10a according to the invention are also coupled to this first integral gear 20, which are integrated into a refrigerant circuit 27 in order to provide cooling for the ammonia synthesis device 13 via a refrigerant. Ammonia can be used as the refrigerant. A first electric machine 27 is also coupled to the first integral gear 20, which serves to drive the refrigerant compressors 21 to 26 and to drive the first compressor 19 of the compression system 10a according to the invention. The first integral gear 20 has a large gear 28 and a pinion 29. The first electric machine 27 drives the large gear 28 and, via the pinions 29 meshing with the large gear 28, the first compressor 19 and the refrigerant compressors 21 to 26.

Der erste Verdichter 19 stellt den Stickstoff N2 und den Wasserstoff H2 auf einem Eingangsdruckniveau für die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 bereit. Dieser erste Verdichter 19 verdichtet den Stickstoff N2 und den Wasserstoff H2 auf dieses Eingangsdruckniveau ausgehend von einem Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13, nämlich von demjenigen Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13, auf welchem nicht zu Ammoniak NH3 umgesetzter Wasserstoff H2 und nicht zu Ammoniak umgesetzter Stickstoff N2 die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 verlässt. Der die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 verlassende, in derselben nicht zu Ammoniak NHs umgesetzte Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 kann im Bereich einer Mischvorrichtung 30 mit Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 gemischt werden, der von der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 und Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 bereitgestellt und über die Verdichter 15, 16, 17 und 18 des weiteren Verdichtungssystems 10b auf das Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 verdichtet wird. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 stellt den Wasserstoff H2 vorzugsweise auf einem ersten Druckniveau bereit, die Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 stellt den Stickstoff N2 vorzugsweise auf einem zweiten Druckniveau bereit, welches größer oder höher als das erste Druckniveau ist. Ein dritter Verdichter 15, der Baugruppe des weiteren Verdichtungssystems 10b ist, verdichtet den von der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 bereitgestellten Wasserstoff H2 ausgehend vom ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau, um denselben im Bereich einer Mischvorrichtung 31 auf dem zweiten Druckniveau mit dem von der Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 erzeugten Stickstoff N2 zu mischen. Das Gemisch aus Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 wird ausgehend vom zweiten Druckniveau stufenweise über die mehreren zweiten Verdichter 16, 17 und 18, die ebenfalls Baugruppen des weiteren Verdichtungssystems 10b sind, auf das Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 verdichtet, also auf dasjenige Druckniveau, mit welchem in der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 nicht zu Ammoniak NH3 umgesetzter Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 die Ammoniaksynthesevorrichtung 13 verlässt. Die mehreren zweiten Verdichter 16, 17 und 18 sind an ein zweites Integralgetriebe 32 des weiteren Verdichtungssystems 10b gekoppelt, von welchem wiederum ein Großrad 33 und Ritzel 34 gezeigt sind. An dieses zweite Integralgetriebe 32 ist eine zweite elektrische Maschine 35 gekoppelt, die dem Antreiben des Großrads 33 des zweiten Integralgetriebes 32 und über die in das Großrad 33 kämmenden Ritzel 34 dem Antreiben der mehreren zweiten Verdichter 16, 17, 18 dient. Auch der dritte Verdichter 15, welcher der Verdichtung des von der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 bereitgestellten Wasserstoffs H2 ausgehend vom ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau dient, ist von der zweiten elektrischen Maschine 35 aus antreibbar, wobei zwischen die zweite elektrische Maschine 35 und den dritten Verdichter 15 ein Zwischengetriebe 36 gekoppelt ist. The first compressor 19 provides the nitrogen N2 and the hydrogen H2 at an inlet pressure level for the ammonia synthesis device 13. This first compressor 19 compresses the nitrogen N2 and the hydrogen H2 to this inlet pressure level starting from an outlet pressure level of the ammonia synthesis device 13, namely from that outlet pressure level of the ammonia synthesis device 13 at which hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 and nitrogen N2 not converted to ammonia leave the ammonia synthesis device 13. The hydrogen H2 and nitrogen N2 leaving the ammonia synthesis device 13 and not converted to ammonia NHs in the same can be mixed in the region of a mixing device 30 with hydrogen H2 and nitrogen N2 provided by the hydrogen generation device or electrolysis device 11 and nitrogen generation device or air separation device 12 and compressed via the compressors 15, 16, 17 and 18 of the further compression system 10b to the initial pressure level of the ammonia synthesis device 13. The hydrogen generation device or electrolysis device 11 preferably provides the hydrogen H2 at a first pressure level, the nitrogen generation device or air separation device 12 preferably provides the nitrogen N2 at a second pressure level which is greater or higher than the first pressure level. A third compressor 15, which is a component of the further compression system 10b, compresses the hydrogen H2 provided by the hydrogen generation device or electrolysis device 11 from the first pressure level to the second pressure level in order to mix it in the region of a mixing device 31 at the second pressure level with the nitrogen N2 generated by the nitrogen generation device or air separation device 12. Starting from the second pressure level, the mixture of nitrogen N2 and hydrogen H2 is compressed step by step via the several second compressors 16, 17 and 18, which are also components of the further compression system 10b, to the initial pressure level of the ammonia synthesis device 13, i.e. to the pressure level at which nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 leave the ammonia synthesis device 13. The plurality of second compressors 16, 17 and 18 are coupled to a second integral gear 32 of the further compression system 10b, of which a large gear 33 and pinion 34 are shown. A second electric machine 35 is coupled to this second integral gear 32, which serves to drive the large gear 33 of the second integral gear 32 and, via the pinions 34 meshing with the large gear 33, to drive the plurality of second compressors 16, 17, 18. The third compressor 15, which serves to compress the hydrogen H2 provided by the hydrogen generation device or electrolysis device 11 from the first pressure level to the second pressure level, can also be driven by the second electric machine 35, wherein an intermediate gear 36 is coupled between the second electric machine 35 and the third compressor 15.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen die zweite elektrische Maschine 35 und den das zweite Integralgetriebe 32 eine Kupplung 37 geschaltet. Weitere Kupplungen 38 und 39 sind zwischen das Zwischengetriebe 36 und die elektrische Maschine 35 sowie zwischen das Zwischengetriebe 36 und den dritten Verdichter 15 geschaltet. According to Fig. 1, a clutch 37 is connected between the second electric machine 35 and the second integral transmission 32. Further clutches 38 and 39 are connected between the intermediate transmission 36 and the electric machine 35 and between the intermediate transmission 36 and the third compressor 15.

Bei den zweiten Verdichtern 16, 17 und 18 des weiteren Verdichtungssystems 10b handelt es sich vorzugsweise um Topfverdichter. Der dritte Verdichter 25 ist vorzugsweise als Schraubenverdichter ausgeführt. Das erste Integralgetriebe 20, der erste Verdichter 19 und/oder die Kältemittelverdichter 21 , 22, 23, 24, 25, 26 des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems 10a bilden einen Integral- Getriebeverdichter. The second compressors 16, 17 and 18 of the further compression system 10b are preferably pot compressors. The third compressor 25 is preferably designed as a screw compressor. The first integral gear 20, the first compressor 19 and/or the refrigerant compressors 21, 22, 23, 24, 25, 26 of the compression system 10a according to the invention form an integral gear compressor.

Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 nutzt mindestens eine regenerative Energiequelle 40 zur Erzeugung des Wasserstoffs, also von mindestens einer regenerativen Energiequelle 40 erzeugte elektrische Energie. The hydrogen generation device or electrolysis device 11 uses at least one regenerative energy source 40 to generate the hydrogen, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 40.

Auch die Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 nutzt mindestens eine regenerative Energiequelle 41 zur Erzeugung des Stickstoffs, also von mindestens einer regenerativen Energiequelle 41 erzeugte elektrische Energie. Eine Stickstofferzeugungsvorrichtung wird auch als Stickstoffgenerator bezeichnet. Eine Luftseparationsvorrichtung 12 kann auf dem Prinzip der Druckwechseladsorption oder auf dem Prinzip der Membrantechnologie beruhen. Auch zum Antrieb der elektrischen Maschinen 27, 35 kann von mindestens einer regenerativen Energiequelle (in Fig. 1 nicht gezeigt) erzeugte elektrische Energie genutzt werden. Ferner kann im Bereich der Ammoniaksynthesevorrichtung 20 elektrische Energie genutzt werden, die von mindestens einer regenerativen Energiequelle (in Fig. 1 nicht gezeigt) erzeugt wird. The nitrogen generation device or air separation device 12 also uses at least one regenerative energy source 41 to generate the nitrogen, i.e. electrical energy generated by at least one regenerative energy source 41. A nitrogen generation device is also referred to as a nitrogen generator. An air separation device 12 can be based on the principle of pressure swing adsorption or on the principle of membrane technology. Electrical energy generated by at least one renewable energy source (not shown in Fig. 1) can also be used to drive the electrical machines 27, 35. Furthermore, electrical energy generated by at least one renewable energy source (not shown in Fig. 1) can be used in the area of the ammonia synthesis device 20.

Eine Besonderheit der Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak besteht darin, dass dann, wenn zum Beispiel in Folge von nur in eingeschränktem Umfang zur Verfügung stehender regenerativer Energiequellen 40, 41 im Bereich der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 kein Wasserstoff H2 und/oder im Bereich der Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 kein Sickstoff N2 mehr in ausreichendem Umfang erzeugt werden kann und/oder das das zweite Integralgetriebe 32 umfassende Verdichtungssystem 10b nicht mehr läuft, dennoch über das erste Integralgetriebe 20 des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems 10a, welches von der elektrischen Maschine 27 aus an- treibbar ist, N2 und H2 durch die Ammoniaksynthesevorrichtung 20 gefördert werden kann. Hierdurch kann dann nach wie vor Ammoniak NH3 erzeugt werden. Die Menge des erzeugten Ammoniaks NH3 wird dann zwar geringer, es können aber höhere Einsatzzeiten und ein gleichmäßigerer Betrieb für die Ammoniaksynthesevorrichtung 20 bereitgestellt werden. A special feature of the system 10 for producing ammonia is that if, for example, due to only a limited availability of renewable energy sources 40, 41 in the area of the hydrogen generation device or electrolysis device 11, no hydrogen H2 can be produced and/or in the area of the nitrogen generation device or air separation device 12, no nitrogen N2 can be produced in sufficient quantities and/or the compression system 10b comprising the second integral gear 32 is no longer running, N2 and H2 can still be conveyed through the ammonia synthesis device 20 via the first integral gear 20 of the compression system 10a according to the invention, which can be driven by the electric machine 27. Ammonia NH3 can then still be produced as a result. Although the amount of ammonia NH3 produced will then be lower, longer operating times and more uniform operation for the ammonia synthesis device 20 can be provided.

Das Eingangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13, welches dem Ausgangsdruckniveau des ersten Verdichters 19 entspricht, beträgt insbesondere zwischen 150 bar und 210 bar. Das Ausgangsdruckniveau des in der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 nicht zu Ammoniak NH3 umgesetzten Stickstoffs N2 und Wasserstoffs H2 und damit das Eingangsdruckniveau des ersten Verdichters 19 beträgt insbesondere in der Größenordnung zwischen 140 bar und 200 bar, ist also insbesondere 10 bar niedriger als das Eingangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung 13. In der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 nicht zu Ammoniak NH3 umgesetzter Stickstoff N2 und Wasserstoff H2wird auch als Recycle-Gas bezeichnet. Das erste Druckniveau, mit welchem die Wasserstofferzeugungsvorrichtung bzw. Elektrolysevorrichtung 11 den Wasserstoff H2 bereitstellt, kann zwischen 1 bar und 30 bar betragen, das zweite Druckniveau, mit welchem die Stickstofferzeugungsvorrichtung bzw. Luftseparationsvorrichtung 12 den Stickstoff N2 bereitstellt, kann zwischen 7 bar und 30 bar betragen. Im Beispiel der Fig. 1 beträgt das erste Druckniveau, mit welchem die Elektrolysevorrichtung 11 den Wasserstoff H2 bereitstellt, exemplarisch 1 bar und das zweiten Druckniveau exemplarisch 7 bar.The inlet pressure level of the ammonia synthesis device 13, which corresponds to the outlet pressure level of the first compressor 19, is in particular between 150 bar and 210 bar. The outlet pressure level of the nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 and thus the inlet pressure level of the first compressor 19 is in particular in the order of magnitude between 140 bar and 200 bar, i.e. is in particular 10 bar lower than the inlet pressure level of the ammonia synthesis device 13. Nitrogen N2 and hydrogen H2 not converted to ammonia NH3 in the ammonia synthesis device 13 is also referred to as recycle gas. The first pressure level at which the hydrogen generation device or electrolysis device 11 provides the hydrogen H2 can be between 1 bar and 30 bar, the second pressure level at which the nitrogen generation device or air separation device 12 provides the nitrogen N2 can be between 7 bar and 30 bar. In the example in Fig. 1, the first pressure level at which the electrolysis device 11 provides the hydrogen H2 is 1 bar and the second pressure level is 7 bar.

Der dritte Verdichter 15 verdichtet den Wasserstoff H2 auf das zweite Druckniveau. The third compressor 15 compresses the hydrogen H2 to the second pressure level.

Die Anzahl der in Fig. 1 gezeigten zweiten Verdichter 16, 17, 18 ist exemplarischer Natur. Abhängig vom zweiten Druckniveau können auch lediglich zwei zweite Verdichter zum Einsatz kommen. Es können auch vier erste Verdichter vorhanden sein. The number of second compressors 16, 17, 18 shown in Fig. 1 is exemplary in nature. Depending on the second pressure level, only two second compressors may be used. There may also be four first compressors.

Von diesem zweiten Druckniveau aus verdichten die zweiten Verdichter 16, 17 und 18 das Gemisch aus Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 auf das Eingangsdruckniveau des ersten Verdichters 19, und zwar stufenweise. Dabei kann das Ausgangsdruckniveau des zweiten Verdichters 16 insbesondere 30 bar und das Ausgangsdruckniveau des zweiten Verdichters 17 insbesondere 70 bar betragen. From this second pressure level, the second compressors 16, 17 and 18 compress the mixture of nitrogen N2 and hydrogen H2 to the inlet pressure level of the first compressor 19, in stages. The outlet pressure level of the second compressor 16 can be in particular 30 bar and the outlet pressure level of the second compressor 17 can be in particular 70 bar.

Die Verdichter 15, 16, 17, 18, 19 sowie die Kältemittelverdichter 21 bis 26 sind lediglich schematisiert gezeigt und können mehrere Stufen aufweisen. Verdichter können paarweise back-to-back, als Rücken an Rücken, angeordnet sein. Verdichtetes Gas, welches einen Verdichter verlässt, kann zwischengekühlt werden. The compressors 15, 16, 17, 18, 19 and the refrigerant compressors 21 to 26 are shown only schematically and can have several stages. Compressors can be arranged in pairs back-to-back. Compressed gas leaving a compressor can be intermediately cooled.

Bei der Ammoniaksynthese in der Ammoniaksynthesevorrichtung 13 handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 27 kann gegen Wasser H2O rückgekühlt werden. Dabei kann Wasserdampf erzeugt werden. Als optionale, vorteilhafte Erweiterung des erfindungsgemäßen Verdichtungssystems 10a und damit der Anlage 10 zeigt Fig. 1 eine Turbine 43, welcher Wasserdampf zur Entspannung und zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden kann, wobei von der Turbine 43 entspannter Wasserdampf abgeführt werden kann. Die Turbine 43 kann über ein Kupplung 42, insbesondere eine selbstsynchronisierende Kupplung 42, an das erste Integralgetriebe 20 angekuppelt werden, um einen Teil der Antriebsleistung für das erfindungsgemäße Verdichtungssystem 10a zu übernehmen und die Leistungsaufnahme bzw. den Stromverbrauch der ersten elektrischen Maschine 27 zu verringern. Gestartet wird das erfindungsgemäße Verdichtungssystem 10a mit der ersten elektrischen Maschine 27. Läuft der Prozess und entsteht Dampf, kann über die Kupplung 42 die Turbine 43 im Betrieb an das erste Integralgetriebe 20 angekoppelt werden. Fig. 1 zeigt die Turbine 43 mit der Zufuhr von zu entspannendem dampfförmigen Wassert H2O und mit der Abfuhr von entspanntem dampfförmigen Wassert H2O. Die Rückkühlung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 27 gegen das Wasser in einem Wärmetauscher ist in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. The ammonia synthesis in the ammonia synthesis device 13 is an exothermic reaction. The refrigerant in the refrigerant circuit 27 can be recooled against water H2O. Water vapor can be generated in the process. As an optional, advantageous extension of the compression system 10a according to the invention and thus of the system 10, Fig. 1 shows a turbine 43 to which water vapor can be supplied for expansion and to generate electrical energy, wherein expanded water vapor can be discharged from the turbine 43. The turbine 43 can be coupled to the first integral gear 20 via a clutch 42, in particular a self-synchronizing clutch 42, in order to take over part of the drive power for the compression system 10a according to the invention and to reduce the power consumption or electricity consumption of the first electrical machine 27. The compression system 10a according to the invention is started with the first electrical machine 27. When the process is running and steam is generated, the turbine 43 can be coupled to the first integral gear 20 during operation via the clutch 42. Fig. 1 shows the turbine 43 with the supply of vaporous water H2O to be expanded and with the removal of expanded vaporous water H2O. The recooling of the refrigerant of the refrigerant circuit 27 against the water in a heat exchanger is not shown in Fig. 1 for the sake of clarity.

Die Erfindung erlaubt eine vorteilhafte effiziente Herstellung von Ammoniak NH3, insbesondere von grünem bzw. CO2-neutralem Ammoniak NH3, bei geringem Bauraumbedarf und geringen Kosten. Die Anlage 10 zur Erzeugung von Ammoniak NH3 zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Das erfindungsgemäße Verdichtungssystem 10a erlaubt eine effiziente Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff. The invention allows advantageous, efficient production of ammonia NH3, in particular green or CO2-neutral ammonia NH3, with little installation space required and low costs. The system 10 for producing ammonia NH3 is characterized by a high level of efficiency. The compression system 10a according to the invention allows efficient compression of coolant, hydrogen and nitrogen.

Bezugszeichenliste list of reference symbols

10 Anlage 10 Annex

10a Verdichtungssystem 10a compaction system

10b Verdichtungssystem 10b compaction system

11 Elektrolysevorrichtung 11 electrolysis device

12 Luftseparationsvorrichtung 12 air separation device

13 Ammoniaksynthesevorrichtung 13 ammonia synthesis device

15 dritter Verdichter 15 third compressor

16 zweiter Verdichter 16 second compressor

17 zweiter Verdichter 17 second compressor

18 zweiter Verdichter 18 second compressor

19 erster Verdichter 19 first compressor

20 erstes Integralgetriebe 20 first integral transmission

21 Kältemittelverdichter 21 refrigerant compressors

22 Kältemittelverdichter 22 refrigerant compressors

23 Kältemittelverdichter 23 refrigerant compressors

24 Kältemittelverdichter 24 refrigerant compressors

25 Kältemittelverdichter 25 refrigerant compressors

26 Kältemittelverdichter 26 refrigerant compressors

27 erste elektrischen Maschine 27 first electric machine

28 Großrad 28 large wheels

29 Ritzel 29 pinions

30 Mischvorrichtung 30 mixing device

31 Mischvorrichtung 31 mixing device

32 zweites Integralgetriebe 32 second integral transmission

33 Großrad 33 large wheels

34 Ritzel 34 pinions

35 zweite elektrischen Maschine 35 second electric machine

36 Zwischengetriebe 36 intermediate gears

37 Kupplung 37 clutch

28 Kupplung 39 Kupplung 28 clutch 39 clutch

40 regenerative Energiequelle40 renewable energy sources

41 regenerative Energiequelle41 renewable energy sources

42 Kupplung 43 Kupplung 42 clutch 43 clutch

Claims

Ansprüche claims 1 . Verdichtungssystem (1 Oa) zur Verdichtung von Kältemittel, Wasserstoff und Stickstoff einer Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, mit einem ersten Integralgetriebe (20), an welches mehrere Kältemittelverdichter (21 , 22, 23, 24, 25, 26) gekoppelt sind, um das Kältemittel stufenweise zu verdichten, mit einem ersten Verdichter (19), welcher der Verdichtung des Wasserstoffs und Stickstoffs auf ein Eingangsdruckniveau für eine Ammoniaksynthesevorrichtung (13) dient, der ebenfalls an das erste Integralgetriebe (20) gekoppelt ist, wobei an das erste Integralgetriebe (20) eine erste elektrische Maschine (27) zum Antreiben der Kältemittelverdichter (21 , 22, 23, 24, 25, 26) und des ersten Verdichters (19) gekoppelt ist. 1. Compression system (10a) for compressing refrigerant, hydrogen and nitrogen in a plant for producing ammonia, with a first integral gear (20) to which several refrigerant compressors (21, 22, 23, 24, 25, 26) are coupled in order to compress the refrigerant in stages, with a first compressor (19) which serves to compress the hydrogen and nitrogen to an inlet pressure level for an ammonia synthesis device (13), which is also coupled to the first integral gear (20), wherein a first electric machine (27) for driving the refrigerant compressors (21, 22, 23, 24, 25, 26) and the first compressor (19) is coupled to the first integral gear (20). 2. Verdichtungssystem (10a) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (19) Wasserstoff und Stickstoff ausgehend von einem Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung (13) auf das Eingangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung (13) verdichtet. 2. Compression system (10a) according to claim 1, characterized in that the first compressor (19) compresses hydrogen and nitrogen from an output pressure level of the ammonia synthesis device (13) to the input pressure level of the ammonia synthesis device (13). 3. Verdichtungssystem (10a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Integralgetriebe (20), der erste Verdichter (19) und die Kältemittelverdichter (21 , 22, 23, 24, 25, 26) einen Integral- Getriebeverdichter bilden. 3. Compression system (10a) according to claim 1 or 2, characterized in that the first integral gear (20), the first compressor (19) and the refrigerant compressors (21, 22, 23, 24, 25, 26) form an integral gear compressor. 4. Verdichtungssystem (10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Integralgetriebe (20) eine Turbine (43) über eine Kupplung (42) ankoppelbar und abkoppelbar ist. 4. Compression system (10a) according to one of claims 1 to 3, characterized in that a turbine (43) can be coupled to and uncoupled from the first integral transmission (20) via a clutch (42). 5. Anlage (10) zur Erzeugung von Ammoniak, mit einer insbesondere als Elektrolysevorrichtung (11 ) ausgebildeten Wasserstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, mit einer insbesondere als Luftseparationsvorrichtung (12) ausgebildeten Stickstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff, mit einer Ammoniaksynthesevorrichtung (13) zur Erzeugung des Ammoniaks aus verdichtetem Wasserstoff und verdichtetem Stickstoff, mit einem Verdichtungssystem (10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3. 5. Plant (10) for producing ammonia, with a hydrogen production device, in particular designed as an electrolysis device (11), for producing hydrogen, with a nitrogen production device, in particular designed as an air separation device (12), for producing nitrogen, with an ammonia synthesis device (13) for producing the ammonia from compressed hydrogen and compressed nitrogen, with a compression system (10a) according to one of claims 1 to 3. 6. Anlage (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ammoniaksynthesevorrichtung (13) nicht zu Ammoniak umgesetzter Wasserstoff und Stickstoff die Ammoniaksynthesevorrichtung auf dem Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrichtung (13) verlässt. 6. Plant (10) according to claim 5, characterized in that hydrogen and nitrogen not converted to ammonia in the ammonia synthesis device (13) leaves the ammonia synthesis device at the outlet pressure level of the ammonia synthesis device (13). 7. Anlage (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ammoniaksynthesevorrichtung (13) verlassende Wasserstoff und Stickstoff über eine Mischeinrichtung (30) mit von zweiten Verdichtern (16, 17, 18) eines weiteren Verdichtungssystem (10b) auf das Ausgangsdruckniveau verdichtetem Wasserstoff und Stickstoff gemischt wird. 7. Plant (10) according to claim 6, characterized in that the hydrogen and nitrogen leaving the ammonia synthesis device (13) are mixed via a mixing device (30) with hydrogen and nitrogen compressed to the initial pressure level by second compressors (16, 17, 18) of a further compression system (10b). 8. Anlage (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofferzeugungsvorrichtung den Wasserstoff auf einem ersten Druckniveau bereitstellt, die Stickstofferzeugungsvorrichtung den Stickstoff auf einem zweiten Druckniveau bereitstellt, welches größer ist als das erste Druckniveau, ein dritter Verdichter (15) des weiteren Verdichtungssystems (10b) den Wasserstoff auf das zweite Druckniveau verdichtet, die zweiten Verdichter (16, 17, 18) des weiteren Verdichtungssystems (10b) den Wasserstoff und Stickstoff ausgehend vom zweiten Druckniveau stufenweise auf das Ausgangsdruckniveau der Ammoniaksynthesevorrich- tung (13) verdichten, welches größer als das zweite Druckniveau ist, wobei diese zweiten Verdichter (16, 17, 18) an ein zweites Integralgetriebe (32) des weiteren Verdichtungssystems (10b) gekoppelt sind, an das zweite Integralgetriebe (32) eine zweite elektrische Maschine (35) zum Antreiben der an das zweite Integralgetriebe (32) gekoppelten zweiten Verdichter (16, 17, 18) gekoppelt ist. 8. Plant (10) according to claim 6 or 7, characterized in that the hydrogen generation device provides the hydrogen at a first pressure level, the nitrogen generation device provides the nitrogen at a second pressure level which is greater than the first pressure level, a third compressor (15) of the further compression system (10b) compresses the hydrogen to the second pressure level, the second compressors (16, 17, 18) of the further compression system (10b) compress the hydrogen and nitrogen starting from the second pressure level step by step to the output pressure level of the ammonia synthesis device (13), which is greater than the second pressure level, wherein these second compressors (16, 17, 18) are coupled to a second integral gear (32) of the further compression system (10b), a second electric machine (35) for driving the second compressors (16, 17, 18) coupled to the second integral gear (32) is coupled. 9. Anlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verdichter (15) des weiteren Verdichtungssystems (10b) über ein Zwischengetriebe (36) an die an das zweite Integralgetriebe (32) des weiteren Verdichtungssystems (10b) gekoppelte zweite elektrische Maschine (35) gekoppelt ist. 9. Plant (10) according to claim 8, characterized in that the third compressor (15) of the further compression system (10b) is coupled via an intermediate gear (36) to the second electric machine (35) coupled to the second integral gear (32) of the further compression system (10b). 10. Anlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das zweite Druckniveau verdichtete Wasserstoff mit dem auf dem zweiten Druckniveau bereitstellten Stickstoff über eine Mischeinrichtung (31 ) gemischt wird. 10. Plant (10) according to claim 8 or 9, characterized in that the hydrogen compressed to the second pressure level is mixed with the nitrogen provided at the second pressure level via a mixing device (31). 11 . Anlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verdichter (16, 17, 18) Topfverdichter sind. 11. Plant (10) according to one of claims 7 to 10, characterized in that the second compressors (16, 17, 18) are pot compressors. 12. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dassder dritte Verdichter (15) ein Schraubenverdichter ist. 12. Plant (10) according to one of claims 8 to 11, characterized in that the third compressor (15) is a screw compressor. 13. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofferzeugungsvorrichtung mindestens eine regenerative Energiequelle (40) zur Erzeugung des Wasserstoffs nutzt, und/oder die Stickstofferzeugungsvorrichtung mindestens eine regenerative13. Plant (10) according to one of claims 5 to 12, characterized in that the hydrogen generation device uses at least one regenerative energy source (40) to generate the hydrogen, and/or the nitrogen generation device uses at least one regenerative Energiequelle (41 ) zur Erzeugung des Stickstoffs nutzt. energy source (41) to produce the nitrogen.
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