DE3009060A1

DE3009060A1 - Verfahren und anlage zum abtreiben von ammoniakwasser im gegenstrom mit dampf

Info

Publication number: DE3009060A1
Application number: DE19803009060
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1980-03-08
Filing date: 1980-03-08
Publication date: 1981-09-24
Also published as: US4632676A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtreiben von Ammoniakwasser im Gegenstrom mit Dampf in einer Anlage, in der der Dampf über einen Sumpf eines Abtreibers zugeführt und aus dem Kopf des Abtreibers zusammen mit der abgetriebenen Gaskomponente einem Sättiger zur Herstellung von Ammoniumsulfat zugeführt wird, aus dem Wasserdampf gesättigte Brüden austreten.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Weiterverarbeitung von Kokereiammoniak. Die Erfindung ist vorzugsweise auf das sogenannte indirekte Verfahren anwendbar, Hierbei hat man durch indirekte Gaskühlung neben dem Teer das sogenannte Gaswasser gewonnen, in dem das Ammoniak zum Teil gelöst ist? in einer-anschließenden Wasserwäsche, die in besonderen Waschtürmen erfolgt, wäscht man das im Gas verbliebene Ammoniak aus. Aus dem Ammoniakwasser treibt man mit Hilfe von Dampf ein Gas ab, das im Sättiger mit Schwefelsäure zu schwefelsaurem Ammoniak, d.h. zu Ammoniumsulfat umgesetzt wird. Das Ammoniumsulfat wird in Kristallform ausgetragen. Die im Sättiger entstehenden Brüden werden ihrerseits in der zur Verfügung stehenden Menge in der Regel weiterverarbeitet, weil sie insbesondere bei den indirekt arbeitenden Anlagen erhebliche Mengen an Rohstoffen, z.B. Schwefelwasserstoff, Kohlendioxyd, Blausäure u.a. enthalten. Dazu wird den Sättigerbrüden Wärme in besonderen Kühlern entzogen.

In der Praxis ist man bemüht, einerseits den Wärmebedarf für die verschiedenen Verarbeitungsstufen niedrig zu halten. Andererseits soll im Abtreiber der Prozeß so ablaufen, daß ein vollständiger Abtrieb der Gasphase erfolgt. Das geschieht zumeist auf den verschiedenen als Glockenböden ausgeführten Etagen des Abtreibers und soll so ausgeführt werden, daß aus

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dem Sumpf des Abtreibers praktisch ammoniakfreies Wasser und am Kopf möglichst die gesamte Gasphase abgeführt wird. Die Gasphase muß dann unter Überwindung des im Sättiger sich aufbauenden Gegendruckes aus dem Abtreiberkopf abgeführt werden.

Bei einer Betriebsanlage dieser Art beträgt die Wasseraufgabe auf den Abtreiber ca. 56 m³/h mit 15 g NH₃/1, 60 g CO₂/1, 7 g H,S/1 und einer Kopftemperatur von 98°C. Im Sumpf des Abtreibers herrscht eine Temperatur von 110° C. Unter diesen Umständen läßt sich der Wärmebedarf mit 9,8 t/h ermitteln. Die nutzbare Wärme teilt sich etwa wie folgt auf:

Wassererwärmung 51,4 %

Reaktionswärme 9,2 %

Verlustwärme 1,8 %

Brüdenwärme 37,6 %

Genauere Messungen haben jedoch ergeben, daß der NH₃-Partialdruck in der Gasphase 2.250 kp/m* bei 98° C und einem Gegendruck von ca. 11.700 kp/m² (Gesamtdruck) beträgt. Der Gleichgewichtspartialdruck des NH₃über dem 60° C warmen Ammoniakwasser liegt bei 383 kp/m^a.

Es zeigt sich jedoch, daß unter diesen Verhältnissen auf den obersten Böden des Abtreibers kein NH₃-Abtrieb, sondern eine NH₃-Waschung stattfindet, weil das Ammoniakgas die Eigenschaft hat, sich in entsprechenden Mengen im-Wasser vorgegebener Temperatur zu lösen. Außerdem ist der hohe Wärmeinhalt der Brüden nachteilig, weil er in den erwähnten nachgeschalteten Kühlern ohne die Möglichkeit einer sinnvollen Nutzung in anderen Bearbeitungsstufen abgeführt wird. Insbesondere bei dem indirekten Verfahren stehen auch noch anderweitig erhebliche Wärmemengen z.B. im Abwasser zur Verfügung. Diese Wärmequellen konnten bislang ebenfalls nicht ausgenutzt werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wenigstens einen Teil der mit den Brüden bislang abgehenden Wärmemengen einer sinnvollen Verwertung zuzuführen.und das eingangs bezeichnete Verfahren im übrigen so zu führen, daß der Abtrieb des Gases im Abtreiber verbesaart wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Konstanthalten des Gegendruckes die Temperatur des zugeführten Ammoniakwassers angehoben und dementsprechend durch Zusatz komprimierter, ungekühlter Sättigerbrüden bei entsprechender Verminderung des Dampfvolumens der Partialdruck der abzutreibenden Komponeten herabgesetzt wird.

Der Einsatz von aus den Sättigerbrüden bestehendem Strippgas im Abtreiber bewirkt eine entsprechende Herabsetzung der Partialdrücke der Komponenten der abgeschiedenen Gasphase. Bei unveränderten Temperaturverhältnissen und unverändertem Gesamtdruck ergibt sich dann eine vergrößerte Partialdruckdifferenz und hieraus eine Verbesserung des Abtriebes. Erfindungsgemäß wird ein Teil dieser Verbesserung für eine Aufwärmung des Aufgabewassers auf eine höhere Temperatur genutzt, weil hierfür genügend Abwassermengen zur Verfügung stehen. Dadurch wird der Dampfbedarf des Abtreibers gesenkt; dieser Verminderung des Dampfbedarfes entspricht einer Verringerung des Dampfvolumens und wird durch das Strippgasvolumen ersetzt. Stellt man dann die Wärmebilanz des augöem Abtreiber und dem Sättiger bestehenden Wärmesystems auf, so ergibt sich durch den Einsatz der Erfindung eine Dampfeinsparnng, die bei ausreichendem Abtrieb in der eingangs als Beispiel genannten vorbekannten Anlage unter der Voraussetzung einer Strippgasraenge von 1000 m ³/h ca. 5 t/h ausmacht. Das bedeutet eine echte Dmapfeinsparung, auch unter Berücksichtigung des Leistungsbedarfs für die Verdichtung dieser Strippgasmenge mit rd. 40 kW.

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Der aus der Wärmebilanz resultierende Dampfbedarf bietet für sich genommen noch keine Garantie für einen hinreichenden Abtrieb. Denn die Stoff- und Wärmeübergangsverhältnisse/hierbei nur integral, d.h. über den gesamten Abtreiber gesehen berücksichtigt. Für den im unteren Teil des Abtreibers stattfindenden Restabtrieb sind aber die Verhältnisse auf den unteren Böden ausschlaggebend. Deswegen muß man an sich die Stoff- und Wärmeübergangsverhältnisse für die Abschätzung des NH₃-Abtriebes genauer berechnen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man hierauf aber verzichten. Zu diesem Zweck wird der feuchte Volumenstrom am Abtreibersumpf konstant gehalten. Mit dem feuchten Volumenstrom sind die Einflußgrößen für den Abtrieb - StoffÜbergangszahl, Partialdruckdifferenz und Gas-Flüssigkeitsverhältnis - im wesentlichen festgelegt. Deswegen ermöglicht diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit ziemlicher Sicherheit einen Rückschluß darauf, daß oberhalb eines bestimmten Sumpfvolumenstromes der Abtrieb stets ausreichend ist. Derjenige Sumpfvolumenstrom einer vorgegebenen Anlage, der bei reinem Dampfbetrieb, also ohne Strippgas, einen ausreichenden Abtrieb ergibt, kann mithin der Dampf bedarfsermittlung bei Strippgasbetrieb als Festwert zugrunde gelegt werden.

Bei einer vorgegebenen Anlage bedeutet die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst lediglich eine Veränderung der Mengenströme im Abtreiber, Brüdenkondensator und Sättiger um den Betrag der Strippgasmenge. Die Zusammensetzung des Strippgases ist durch die Zusammensetzung des Sättigerbrüdens festgelegt. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren so geführt, daß der zugesetzte Sättigerbrüden im Kreislauf zwischen Abtreiber, Sättiger und Verdichter geführt und die restliche Sättigerbrüdenmenge aus

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dem Kreislauf ausgeschieden wird. Damit ist die Zusammensetzung des Sättigerbrüdens unabhängig von der Strippgasmenge, weil diese im Kreislauf geführt wird. Demzufolge ist beispielsweise der Schwefelwasserstoffanfall konstant. Auch die Zusammensetzung des Strippgases ist von seiner Menge unabhängig.

Zieht man die Wärmebilanz für den Sättiger ab, so ergibt sich, daß die Sättigeraustrittstemperatur bei konstanter NH₃-Menge von der Brüdeneintrittstemperatur und der Strippgasmenge abhängig ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Sättigerbrause mit verdichteten Sättigeraustrittsbrüden betrieben wird. Diese Brause hat hauptsächlich die Aufgabe, das kristalline Ammoniumsulfat im Bad des Sättigers solange in der Schwebe zu halten, bis sich genügend große Kristalle gebildet haben, die ausgetragen werden können. Bislang betreibt/die Brause mit Luft. Das würde in dem erfindungsgemäßen Verfahren wegen des Luftsauerstoffes zu erheblichen Korrosionen führen. Die Beaufschlagung mit Sättigerbrüden vermeidet diesen Nachteil und bedeutet eine sinnvolle Nutzung des Brüdens.

Im folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Anlage gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Nomogramm über den Einsatz von Sättigerbrüden in einem NH -Abtreiber in einer Anlage gemäß Fig. 1.

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In einem Abtreiber 1 wird oben bei 2 dem Kopf 3 NH -Wasser aufgegeben. Das Wasser läuft über mehrere, in Fig. 1 nicht dargestellte Böden des Abtreibers nach unten und sammelt sich im Sumpf 4. Mit Hilfe sogenannter, ebenfalls nicht dargestellter Glocken wird im Gegenstrom Dampf geführt und dadurch mit dem Wasser in Berührung gebracht. Der Dampf wird im Bereich des Sumpfes 4 bei 5 zugeführt.

Im Kopf 3 des Abtreibers wird die abgetriebene Gaskomponente bei 6 abgeführt und zunächst über einen Wärmeaustauscher 7 unter Abführung von Kondensat bei 8 einem Sättiger 9 bei 10 zugeführt. In dem Sättiger wird das Ammoniak mit Schwefelsäure zu Ammoniumsulfat umgesetzt. Dabei entstehen Brüden, die bei abgeführt werden. Ein Teil der Brüden wird bei 12 einem Verdichter 13 zugeführt, der die komprimierten, ungekühlten Sättigerbrüden bei 14 zusammen mit dem Dampf bei 5 dem Abtreiber aufgibt. Es entsteht dadurch ein Kreislauf der Sättigerbrüden, aus dem bei 15 Brüden zur weiteren Aufbereitung abgezogen werden.

Im Diagramm nach Fig. 2 liegt das Beispiel einer Steinkohlenkokerei bei Vollastbetrieb zugrunde. Es wird riit indirekter NH,-Wäsche gearbeitet, die einer H_S-Wäsche vorgeschaltet ist.

Der Abtreiber-Dampfbedarf wurde in Abhängigkeit von der Kopftemperatur, der Strippgasmenge und der Wassereintrittstemperatur berechnet. Der Dampfbedarf aus der Wärmebilanz ist aus beiden oberen Feldern in der Reihenfolge Kopftemperatur - Strippgasmenge Wassereintrittstemperatur - Dampfbedarf ablesbar. Im unteren rechten Feld ist der Wassergehalt der austretenden Sättigerbrüden in Abhängigkeit von der Kopftemperatur und der Strippgasmenge dargestellt. Das untere linke E"eld zeigt den Dampf bedarf in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Sättigeraustrittsbrüden und der Strippgasmenge für einen konstanten Sumpfvolumenstrom von 9.350 m ³/h.

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Aus den oberen Feldern der Fig. 2 erkennt man nun, daß der Dampfbedarf bei festgehaltener Kopftemperatur mit steigender strippgasmenge abnimmt.

Betrachtet man zunächst den äußeren Linienzug, so führt eine Wassereintrittstemperatur von 60° C (oberes, linkes Feld) ohne Strippgas (obere Kurve im oberen rechten Feld) eine Kopftemperatür von 98° C und einen Dampfbedarf von ca. 7,5 t/h. Die Sumpftempera tür liegt bei 110° C.

Für die NH_-Auswaschung wurden in dem Beispiel 26 m /h Kohle-

wasser und 24 m /h enthärtetes Frischwasser eingesetzt. Am Abtreiber ergibt sich dann eine Wasseraufgabe von 50 m /h mit 9,9 g NH₃/1, ca. 3 g H₂S/1 und ca. 6 g CO₂/1. Die Mengenströme am Abtreiberkopf betragen beim Betrieb ohne Strippgas

NH₃: 495 kg/h = 652 m_n ³/h
H₂S: 150 kg/h = 99 m ³/h
CO₂: 300 kg/h = 153 \³/h

Der Sättigereintritt ist mit dem Abtreiberaustritt identisch. Am Sättigeraustritt ergeben sich beim Betrieb ohne Strippgas folgende Mengenströme:

H₂S	150	kg/h	99	^mn	Vh
co₂	300	kg/h =	153	m η	Vh
Luft	181	kg/h	140	m	Vh

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Vorausgesetzt wurde, daß beim Abtreiber-Betrieb mit Strippgas die Mengenströme im Abtreiber und im Sättiger sich nur um den Betrag der Strippgasmenge verändern. Die Zusammensetzung des Strippgases ist ebenfalls von der Strippgasmenge unabhängig. Die Sättigeraustrittstemperatür ist von der Abtreiberkopftemperatur und der Strippgasmenge abhängig.

Die E ihöhung der Wassereintrittstemperatur bringt eine zusätzliche Minderung des Dampfbedarfes.

Ein Betriebspunkt mit ausreichendem Abtrieb liegt dann vor, wenn der Dampfbedarf aus der Wärmebilanz (obere Felder) und der Dampfbedarf aus der Sumpfvolumen-Bedingung gleich ist. Gibt man eine Kopftemperatür»von 98° C und eine Strippgasmenge von 1.000 m /h vor, so ergibt sich über die unteren Felder ein Dampfbedarf von 2,8 t/h. Zu diesen Werten liest man im oberen linken Feld eine

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Wassereintrittstemperatur von rd. 94 ° C ab.

Gibt man dagegen die Wassereintrittstemperatur an die Stippgasmenge vor, so kann der Dampfbedarf und die Kopftemperatur durch Probieren gefunden werden.

Ein Strippgaseinsatz von 1.000 m /h erbringt bei einer Wassereintrittstemperatur von 94° C eine Dampfeinsparung von 4,7 t/h. Dem steht ein Leistungsbedarf von 170 kw für die Strippgas-Verdichtung gegenüber.

Arbeitet man entgegen dem Ausführungsbeispiel mit Brüdenkondensation, so ist die Einsparung an Abtreiberdampf etwas geringer. Im dargestellten Ausführungsbeispiel (klassisches indirektes Verfahren) ist sie so erheblich, daß die indirekte NH_-Wäsche mit Abtreiber-Strippgasbetrieb in Verbindung mit einer nachgeschalteten H₂S-Wäsche nach dem Oxidationsverfahren (z.B. Stretchford) insgesamt wirtschaftlicher ist als eine H₂S-NH_-Kreislaufwäsche.

Bei der Brüdenkondensation fällt die Einsparung u.a. deshalb so klein aus, weil mit der Strippgasmenge Dampf aus dem Abtreiber

ausgetragen wird, der dann im Brüdenkondensator durch Wärmeabfuhr niedergeschlagen wird. Daher liegt die Sättigeraustritts tempera tür wesentlich niedriger als im Ausführungsbeispiel. Der von der Sättigeraustrittstemperatur abhängige Wärmeinhalt des Strippgases entlastet aber die Wärmebilanz des Abtreibers beträchtlich. Mit dem Strippgas-Kreislauf gemäß dem Ausführungsbeispiel wird je nach Strippgasmenge der größte Teil der exothermen Reaktionswärme des Sättigers dem Abtreiber zugeführt, indem die Reaktionen endotherm ablaufen. Daraus erkennt man, daß die Sättigerbrüdenkühlung eine Erhöhung des Dampfverbrauches bewirken würde.

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Claims

Herne 1, 8000 München 40, SOVjeferstraße 18 _. , , _ ». -. . EisenacherStraße 17 Postfach 1140 Uipl.-mC}- H. Π. ΒΟΠΓ Postfach 40OT 69 Pit.-Anw. Herrmsnn-Trentepohl flinl -PhvQ FH..arH Fot»l?r Pat.-Anw. Beteler Fernsprecher: 0 23 23/51013 Uipi.-HnyS. Eduard IQlZlZT Fernsprecher: 089/38 3011 51014 Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl » » " Telegrammanschrift: l" 5» I- 36 3013 Bahrpatente Herne PATENTANWÄLTE Telpgrammanschrift: Telex 08229853 Babetzpat München _ A «-ν λ Λ Γ» Ο Telex 5215360 3009-060 Bankkonten: Bayerische Vereinsbank München 952 Dresdner Bank AG Herne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467 Ref.: A 30 250 X/P in der Antwort bitte angeben Zuschrift bitte nach: Abholfach 7. März 1980 Ruhrkohle Aktiengesellschaft, Rellinghauser Straße 1, 4300 Essen "Verfahren und Anlage zum Abtreiben von Ammoniakwasser im Gegenstrom mit Dampf" Patentansprüche

1. Verfahren zum Abtreiben von Ammoniakwasser im Gegenstrom mit Dampf in einer Anlage, in der der Dampf Über einen Sumpf eines Abtreibers zugeführt und aus dem Kopf des Abtreibers zusammen mit der abgetriebenen Gaskomponente einem Sättiger zur Herstellung von Ammoniumsulfat zugeführt wird, aus dem mit Wasserdampf gesättigte Brüden austreten, dadurch gekennzeichnet , daß unter Konstanthaltung des Gegendrucks die Temperatur des zugeführten Ammoniakwassers angehoben und dementsprechend durch Zusatz komprimierter, umgekühlter Sättigerbrüden bei entsprechender Verminderung des Dampfvolumens der Partialdruck der abzutreibenden Komponenten herabgesetzt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der feuchte Volumenstrom am Abtreibersumpf, konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der zugesetzte Sättigerbrüden im Kreislauf zwischen Abtreiber, Sättiger und Verdichter geführt und die restliche Sättigerbrüdenmenge aus dem Kreislauf ausgeschieden wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,in Anlagen mit Brüdenkondensation ,dadurch gekennzeichnet , daß die Sättigerbrause mit verdichteten Sättigeraustrittsbrüden betrieben wird.

5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ,gekennzeichnet durch eine Brüden aus dem Sättiger (9) abführende Leitung .(11) mit einer Verzweigung (12, 15), deren einer Zweig (12) über einen Verdichter (13) zum Sumpf (4) des Abtreibers (1) führt, während die andere Abzweigung (15) Sättigerbrüden aus dem Kreislauf zwischen Abtreiber(1) und Sättiger (9) abführt.

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