DE406411C - Herstellung von Wasserstoff und Phosphorsaeure - Google Patents

Description

• Herstellung von Wasserstoff und Phosphorsäure. Phosphorsäure kann bekanntlich durch Reduktion von Rohphosphat finit Kohle in Anwesenheit von Kieselsäure, z. B. im elektrischen Ofen, hergestellt werden. Dabeii reagiert das Tricalciumphosphat des Rohphosphates mit der Kohle und der Kieselsäure unter Bildung von Phosphor, Kohlenoxyd und Calciumsilikat nach der Gleichung (CO), P=O,; -f- SiO2 + 5 C - 3 CaOSiO= -f- P2 + 5 CO.
• Das Calciumsilikat bildet eine praktisch wertlose Schlacke, welche aus dem Ofen abgestochen wird. Die aus dem Ofen abziehende Gasmischung, welche im wesentlichen aus Phosphor und Kohlenoxyd besteht, wurde bei allen bisher ausgeübten oder bekannten Ausführungsformen der termischen Phosphorsäuredarstellung mit freiem Luftsauerstoff in Phosphorsäure und Kohlendioxyd verbrannt, wobei der Gasmischung immer wenigstens so viel Luft zugeführt wurde, als für die vollständige Verbrennung des Phosphors und des Kohlenoxyds erforderlich war. Die bei dieser Verbrennung entwickelte Wärine wurde unter Umständen zur Vorwärmung der Ofenbeschickung benutzt.
• Es ist indessen nicht möglich, in dieser Weise mehr als einen verhältnismäßig kleinen Teil der Verbrennungswärme des Phosphors und des Kohlenoxyds zu verwerten, weil eine vollständige Ausnutzung derselben die Beschickung weit über die praktische Grenze, welche von der Haltbarkeit der Futter des Reduktions- und Vorwärmeofens bestimmt ist, erhitzen würde.
• Die Erfindung bezweckt nun, die Verbrennungsenergie des Phosphors in anderer, vorteilhafterer und vollständigerer Weise auszunutzen. Nach der Erfindung wird der Phosphor zur Reaktion mit Wasser bzw. Dampf unter solchen Verhältnissen gebracht, daß der Wasserstoff des Wassers in Freiheit gesetzt und als wertvolles \ el>enpr odukt gewonnen wird, während der Phosphor durch den Sauerstoff des Wassers zu Phosphorsäureanhvdrid oxydiert wird, das dann in bekannter Weise mit einer weiteren Meng e Wasser zu Phosphorsäure umgesetzt wird. Die bei der Oxydation des Phosphors zu Phosphorsäureanhydr@id entwickelte Wärme wird somit nach der Erfindung zur Lösung der chemischen Bande zwischen dem Sauerstoff und dem Wasserstoff im Wasser ausgenutzt. Die Reaktion vollzieht sich leicht mit überhitztem Wasserdampf bei einer Temperatur von iooo° C, obgleich auch eine höhere oder niedrigere Temperatur benutzt werden kann.
• Der dargestellte Wasserstoff kann in bekannter Weise zur Herstellung von Ammoniak durch unmittelbare Verbindung mit Stickstoff benutzt werden. Man braucht somit für die synthetische Herstellung von Ammoniak, wenn gleichzeitig nach der Erfindung gearbeitet wird, nicht eine große und teure elektrolytische oder andere besondere Anlage für die Wasserstoffdarstellung. Auch braucht man nicht die großen Mengen elektrischer Energie oder Kohle, welche sonst bei einer solchen Anlage erforderlich sind. Das aus dem Wasserstoff dargestellte Ammoniak kann gegebenenfalls mit der gleichzeitig hergestellten Phosphorsäure zur Bildung von Atnmoniumphosphat verbunden werden.
• Es ist für die Umsetzung des Phosphors zu Phosphorsäureanhydrid nicht erforderlich, ausschließlich Wasser zu benutzen, die Erfindung umfaßt vielmehr auch den Fall, daß ein Teil des für die Oxydation des Phosphors erforderlichen Sauerstoffes als Luftsauerstoff zugeführt wird. In dieseln Falle kann man entweder irn voraus Wasserdampf und Luft in gewünschtem Verhältnis mischen, ehe sie mit dem Phosphor zusammengebracht werden, oder es kann auch zu wenig Wasser bzw. Wasserdampf und dann Luft zugeführt werden, oder umgekehrt. Der freie Sauerstoff darf in jedem Falle nur einem verhältnismäßig kleinen Teil der gesamten Phosphormenge entsprechen und soll z-#veckmäß'g nur so groß sein, als zur Aufrechthaltung der für die Reaktion zwischen Phosphor und Wasser unter Wasserstoffabspaltung nötigen Temperatur erforderlich ist.
• Die Erfindung ist vorzugsweise für Benutzung in Verbindung mit der Reduktion von phosphathaltigen Materialien mit Kohle bestimmt, wobei der Phosphor in Gasform, mit Kohlenoxyd gemischt, erhalten wird. In sol- chem Falle kann auch das Kohlenoxyd zur Erzeugung von Wasserstoff durch Umsetzung mit Wasserdampf in bekannter Weise benutzt werden. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Gastnischung zunächst in ihre Bestandteile, Phosphor und Kohlenoxyd, zu zerlegen und dann den Phosphor mit Wasser mit oder. ohne einen geringen Zusatz von Luftsauerstoff unter Wasserstoffabspaltung zu oxydieren, während das Kohlenoxyd mit Luftsauerstoff unter Ausnutzung der dabei entwickelten Verbrennungswärme zur Vorwärmung der Beschickung, zur Erzeugung von Dampf usw. verbrannt wird.
• Auf der Zeichnung sind in Abb. i bis 3 verschiedene Anlagen zur Durchführung der Erfindung schematisch dargestellt.
• In Abb. i ist A ein elektrischer Ofen zur Reduktion von Rohphosphat mittels Kohle in Anwesenheit von Kieselsäure, welcher m.it Elektroden B, einer Schlackenabstichöffnung C, einer Beschickungsvorrichtung D und einem Gasabzug E versehen ist, durch welchen die im Ofen entwickelte Gasmischung, welche im wesentlichen aus Phosphor und Kohlenoxyd .besteht, nach einer Verbrennungskammer F abgeleitet wird, die gegebenenfalls eine geeignete Füllung oder einen geeigneten Katalysator, z. B. aus Chamotte, Bauxit, Eisenoxyd usw., enthält und in welche auch Wasserdampf, mit oder ohne einen geringen Zusatz von Luft, durch eine Röhre f zugeführt werden kann.
• In der Kammer F wird eine so hohe Temperatur aufrechterhalten, daß lediglich der Phosphor, dagegen nicht das Kohlenoxyd mit dem Sauerstoff des Wassers unter Entwicklung von freiem Wasserstoff reagiert. Zweckmäßig wird daher in F nur so viel Wasser bzw. Wasserdampf zugesetzt, als es für die Oxydation des Phosphors erforderlich ist. Das resultierende Gasgemisch, das im wesentlichen aus Phosphorsäureanhydrid, Kohlenoxyd und Wasserstoff besteht, wird dann in einen Kühler G und in einen Trennapparat H eingeführt, worin das Phosphorsäureanhy drid in bekannter Weise, z. B. durch elektrische Niederschlagung oder durch Absorption in Wasser unter Bildung von Phosphorsäure, abgeschieden wird.
• Das restliche Gasgemisch, im wesentlichen aus Kohlenoxyd und Wasserstoff bestehend, wird mit einer geeigneten Menge Wasserdampf, der durch ein Rohr i. zugeführt wird, gemischt, und wird dann auf eine geeignete Temperatur in einem Wärmeaustauschapparat I erhitzt, worauf es über einen Katalysator in der Kammer T geleitet wird. Hierbei wird das Kohlenoxyd durch den Sauerstoff des Wasserdampfes in Kohlendioxyd oxydiert, während der Wasserstoff des Wassers in Freiheit gesetzt wird. Das resultierende Gasgemisch wird durch den Ventilator nz abgesaugt und von dem Kohlendioxyd usw. gereinigt und ist dann zum Gebrauch fertig. Statt die ganze vom Trennapparat H kommende Gasmischung durch den Wärmeaustauschapparat 1 und die Kammer 7 zu leiten, kann man einen Teil davon bei la ableiten und diesen Teil zur Erzeugung von Dampf oder für andere Zwecke benutzen.
• In Abb. 2 bezeichnet A gleichfalls einen elektrischen Ofen zur Reduktion von Rohphosphat mit Elektroden B, einer Schlackenabstichöffnung C, einer Beschickungsvorrichtung D und einem Gasabzug F_. Vom letzteren geht die im Ofen beim Betriebe gebildete Gasmischung nach dem Kondensator K, in dem der Phosphor verdichtet wird. Das nicht kondensierbare, hauptsächlich aus Kohlenoxyd bestehende Gas verläßt den Kondensator bei 1a und kann dann in geeigneter Weise, z. B. zur Erzeugung von Wasserstoff durch Umsetzung von Wasserdampf, zur Erzeugung von Dampf usw. ausgenutzt werden.
• Vom Kondensator K wird der verdichtete Phosphor durch Rohr k, nach der Verbrennungskammer L geleitet. In dieser Kammer, welche mit einem geeigneten Füll- oder Kataly satormaterial versehen sein kann, wird @vasserdampf und geringe Menge Luft durch das Rohr l e:ngeleitet. Durch eine entsprechende Bemessung .der Dampf- und Luftmengen wird eine solche Temperatur in der Verbrennungskammer erreicht, daß der Phosphor in Phosphorsäureanhydrid umgesetzt wird, während eine entsprechende Menge Wasserstoff in Freiheit gesetzt wird. Die resultierende Gasmischung wird dann in den Kühlei G und den Trennapparat H eingeleitet, worin die Phosphorsäure verdichtet wird. Das resultierende Gasgemisch, das im wesentlichen aus Wasserstoff und geringeren Mengen Stickstoff, z. B. in dem Verhältnis 3 : i, besteht, wird durch Ventilator in abgesaugt und ist nach seiner Reinigung zur Verwendung, z. B. für Ammoniakdarstellung, fertig.
• In Abb. 3 geht die vom Ofen kommende Gasmischung durch den Kühler oder Dampfkessel F und den Ventilator R nach dem Kondensator K, worin der Phosphor verdichtet wird. Das nicht kondensierbare, hauptsächlich aus Kohlenoxyd bestehende Gas wird durch das Rohr 7z nach der Verbrennungskammer F geleitet, wo es mit Luft aus S verbrannt wird.
• Die bei der Verbrennung entwickelte Wärine wird zur Vorwärmung der Beschickung ausgenutzt, weshalb die Verbrennungskammer in diesem Falle auch als Vorwärmer dient. Zur Zuführung des Beschickungsgutes zu dem Reduktionsofen ist der Vorwärmer als Drehofen ausgeführt, der durch LP beschickt wird. Die Verbrennungsgase werden aus dem Drehofen mittels Ventilators T abgesaugt. Durch richtige Bemessung der Größe der .Ventilatoren R, S und T kann man eine schwache Gasströmung in abwärts gehender Richtung durch das Rohr p erzeugen, das den Ofen A mit dem Vorwäriner F verbindet. Hierdurch wird erreicht, daß die gesamte Phosphormenge bei E abzieht, um in K verdichtet zu werden, und daß lediglich Kohlenoxyd in den Vorwärmer eintritt.
• Vom Kondensator K wird der verdichtete Phosphor durch Rohr k, nach der Verbrennungskammer L geleitet. In diese Kammer wird auch Wasserdampf und eine geringe Menge Luft durch Rohr l eingeleitet. Durch eine entsprechende Bemessung der Dampf-und Luftmengen wird eine solche Temperatur in der Verbrennungskammer erreicht, daß der Phosphor zum Teil mit dem Luftsauerstoff und zum Teil mit dem Sauerstoff des Wasserdampfes in Phosphorsäureanhydrid unter Wasserstoffentwicklung umgesetzt wird. Das resultierende Gasgemisch wird dann in den Kühler G und den Trennapparat H eingeführt, worin das Phosphorsäureanhydrid in bekannter Weise, z. B. durch Absorption in Wasser, abgeschieden wird. Das restliche, nicht kondensierbare Gasgemisch, das im wesentlichen aus Wasserstoff, mit einer geringen Menge Stickstoff, z. B. im Verhältnis 3 : i, gemischt ist, wird durch den Ventilator m abgesaugt und ist nachReinigung zurWeiterverarbeitüng fertig.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Phosphorsäure, dadurch gekennzeichnet, daß Phosphor mit Wasser bzw. Wasserdampf unter starleer Erhitzung zur Reaktion gebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Phosphor mit Wasser bzw. Wasserdampf und einer Menge Luft bzw. freiem Sauerstoff, welche kleiner als die dem Phosphor äquivalente Menge ist, umgesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Reduktion von Phosphat mit Kohle erhaltene Gasdampfmischung, im wesentlichen aus Phosphor in Gasform und Kohlenoxyd bestehend, mit Wasserdampf mit oder ohne einen geringen Zusatz von Luft bzw. freien Sauerstoff bei der angegebenen Temperatur zur Reaktion gebracht wird.