DE2406317A1

DE2406317A1 - Verfahren zur gewinnung von stickstoff aus luft

Info

Publication number: DE2406317A1
Application number: DE19742406317
Authority: DE
Inventors: Geb Sandstroem Elisabet Moeree
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1974-02-09
Publication date: 1974-08-22
Also published as: JPS5029489A; NL7401561A; FR2217271A1

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. M. Beyer Dipl.-Virtsch.-Ing. B. Jochem

Frankfurt an Main Staufenstraße 36

In Sgehen:

Akriebolaget Electrolux
Patent Department

Stockholm/Schweden

Luxbacken 1

Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Sickstoff (Np) aus Luft und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannte derartige Verfahren arbeiten entweder mit Verbrennung von Mineralölen oder der Reinigung von Abgasen. Demgegenüber liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, verhältnismäßig große Mengen Stickstoff mit gutem Reinheitsgrad mittels einer verhältnismäßig kleinen Vorrichtung bzw. Anlage herzustellen.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß vorgewärmte Luft mittels eines Katalysators mit einem Kohlenwasserstoff zur Reaktion gebracht wird-una das dabei erhaltene Gas zur Abscheidung von V/asser über einen Kondensator und danach durch einen Kohlendioxyd_abscheider geleitet wird.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des oben bezeichneten Verfahrens,

Fig. 2 Einzelheiten einer nach dem Prinzip gemäß Figur 1 arbeitenden Anlage.

Wie in Figur 1 dargestellt, wird Luft über einen Filter IG zu einen Wärmetauscher 11 geleitet, wo sie vorgewärmt wird. Die Luft strömt dann weiter über eine isolierte Leitung 12 mit einem elektrischen Vorwärmer 13 zu einer Katalysatorkammer 14, die einen Katalysator 15 enthält:. Der letztere ist vorzugsweise drehbar und hat mit Bezug auf die Ströiaungsrichtung geneigte Flächen, die ir.it einem geeigneten Kacalysafcor-Iiaterial bekleidet

Ein Tank 16 enthält Propangas (C_xIL,) oder einen anderen geeigneten Kohlenwasserstoff. Die erforderliche i^enge Propangε3 wird vcu Tank 16 aus über eine Leitung 17 iur Kaöaljysatorksniner 1-4- geleitet. 'Die Menge Propangas, welche der Kataiysatorkaciaer 14 zugeführt wird, beträgt ungefähr 2# bis 5% der der Katalysatorkammer zugeleiteten Laf tr-enge, und die Temperatur des Propangases lieg ο vorzugsweise in Bereich von ungefähr 3OC°bis 500° Grad Celsius. Ua den Kataijsatoreinsatz zu halten, ist es zweckmäßig, eine perforierte drehbare Scheibe aus Leichtmetall oder Keramik zu verwenden, und der Einsatz ist vorzugsweise austauschbar. Die der Katalysatorkam&er 14 zugeleitete Luft wird vorzugsweise auf ungefähr 200° bis 300° Grad Celsius erhitzt. Um die Temperatur- der Luft mit der gewünschten Genauigkeit zu regeln, ist eine elektrische Heizvorrichtung 18 am Boden der Katalysatorkammer vox^gesehen.

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In der Katalysatorkammer findet eine Reaktion von Luft und Propangas gemäß der nachstehenden Formel statt:

H₃ H- 5O₂ -» 3CO_{2 +} ^H₂C ₊ 528,4

Aus dieser Gleichung folgt, dai3 der Gasstrom hinter der Katalysatorkammer im wesentlichen aus Np + CCU + ELO besteht, wobei durch die Reaktion zusätzliche Värme erzeugt wird.

Eine zweite Brennkammer 19 hat vorzugsweise im wesentlichen denselben Aufbau wie die Katalysatorkammer 14. Auch hier wird wieder Propangas über eine Leitung 20 zugeführt, deren niindungsöffnung, ebenso wie die Propangasleitung 17, mit einer geeigneten Düse versehen ist. Der Katalysator 19 kann gegebenenfalls ein anderes Katalysatormaterial enthalten als der erste Katalysator 14, ·*5·

Vorzugsweise sind an einer oder, beiden Propangasleitungen 1? und 20 Steuer- oder Absperrventile angeordnet, die durch eine geeignete Mess- und Regeleinrichtung beeinflußt werden, welche den Gehalt an Op des aus der zweiten Brennkammer 19 austretenden Gasstroms mißt und eine Drosselung bzw. Schließung der Ventile an den Propangasleituiigen bewirkt, wenn der 0~ - Gehalt sehr niedrig ist, und umgekehrt die Ventile weiter öffnet, wenn der Op-Gehalt ansteigt.

Die in Gas enthaltene Reaktionswärme wird dazu benutzt, die Frischluft im Wärmetauscher 11 aufzuheizen. Nachdem das Gas diesen durchströmt hat, wird es über ei.ue Leitung 21 zu einem Kondensator 22 geführt, der vorzugsweise durch über eine Leitung 23 zugeführtes, durchströmendes Wasser gekühlt wird. Die Vasserauslaßieitung 24 des Kondensators ist mit einer Auslaßleitung 25 für Kondens-

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wasser gekoppelt. Über eine Gasauslaßleitung 29 wird das vom Wasser befreite Gas einem Kohlendioxydabscheider zugeleitet, der aus einem um eine Achse 26 drehbaren Rotor besteht und vorzugsweise nach Art eines Molekülsiebs arbeitet.

Der Kohlendioxydabscheider wird durch einen Heißluftstrom regeneriert, der über einen Kanal 28 denjenigen Bereich des drehbaren Körpers des Abscheiders beaufschlagt, welcher von der Auslaßleitung 29 des Gases getrennt ist. Die letztere ist mit einem Kühler 30 versehen, durch den die Temperatur des Ii-- Gases auf ungefähr 30° C herabgesetzt wird.

Durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann IT₀-

C—

Gas mit einem Reinheitsgrad von 98% bis 99₅5% gewonnen werden. Dieses Gas kann sofort als träges Gas eingesetzt werden. Aus einer dein Wärmetauscher zugeführten Luftmenge von z. B. 5·500 m /h werden 5«00 rar Np/h erhalten.

Für diese Gasmenge muß die Leitung 21 einen Querschnitt

ρ
von ungefähr 0,2 m haben.

Figur 2 zeigt eine Pumpe 31 mit einem Einlaß 52 für Frischluft. Der Auslaß.der Pumpe steht über eine Leitung 33 mit einem Absperrventil 34- mit dem Einlaß eines elektrisch beheizten Wärmetauschers 35 i& Verbindung, dessen Auslaß über eine Leitung 36 mit dem Einlaß eines Katalysators 37 verbunden ist, welcher vorzugsweise vom einstufigen Typ ist. Ein Propangastank 38 ist über ein herkömmliches Ventilsystem 39» einen Rotadurchfluftmesser 40 und eine Leitung ^ an die Leitung 33 angeschlossen. Der Anschluß befindet sich mit Bezug auf die Pumpe 31 hinter dem Absperrventil 34-.

Bei der in der Zeichnung gezeigten Vorrichtung wird zweckmäßigerweise_tein Platinkatalysator benutzt. Die

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Auslaßseite des Katalysators 37 hat über eine Leitung Anschluß an einen Kondensator 43 mit einem V/asserauslaß 44 am Boden. Vom Kondensator 43 führt eine Leitung 4p zu einer · Abscheidekaminer 46 von der wiederum.

eine Auslaßleitung 47 und eine v/eitere Leitung 48 ausgehen. Die letztere enthält eine Pumpe 49, ein Absperrventil und einen Rotadurchflußmesser 51 , und zwar in dieser Reihenfolge, ausgehend von der Abscheidekammer 46. Die Pumpe 49 arbeitet vorzugsweise mit konstander Geschwindigkeit. Bas gegenüberliegende Ende der Leitung 48 mündet in der Leitung 36, öie zur Einlaßseite des Katalysators 37 führt.

Die Auslaßleitung 47 enthält ein Absperrventil 52. Vor dem Absperrventil 52 ist über eine Leitung 54- iß it einem weiteren Absperrventil 55 ein 0_n-Messer 53 an die Leitung 47 angeschlossen. Ein Rotadurchflußmesser 56 ist hinter dem Anschluß der Propangasleitung 41 an der Zufuhrleitung 33 für Luft angeordnet. In Strömungsrichtung hinter de^n Vorwärmer 35 befindet sich ein erstes Temperaburmeßgerät 57. Ein zweites, mit 58 bezeichnetes, ist am Auslaßeiide des Katalysators vorgesehen. Ein drittes Temperaturmeßgerät 59 befindet sich am Auslaß des Kondensators. In der Zeichnung sind die beiden Pumpen 31 und 49 mit P I und P II bezeichnet, während die Rotadurchflußmesser 56, 40 und 51 die Bezeichnungen RI, R II und R III tragen.

Das Ventil 52 soll geöffnet sein, sobald die Anlage in Betrieb ist. Zu Beginn wird das Ventil 34 geöffnet, wobei aber zunächst noch die Propangaszufuhr geschlossen bleibt. Während der Startphase arbeitet der elektrisch betriebene Vorwärmer 35 und heizt die zum Katalysator strömende Luft auf. Vorzugsweise wird in dieser Weise vorgewärmt, bis das Temperaturmeßgerät 57 eine Lufttemperatur von ungefähr 250° C anzeigt. Venn diese Temperatur erreicht ist, wird über die Leitung 33 undc/en Rotadurchflußmesser 40 Propangas C3H3 zugeführt. Der Rotadurch-

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flußmesser 40 reguliert das Verhältnis zwischen Propangas und Frischluft, und der Rotadurchflußixiesser 56 regelt die Menge der dem Katalysator 37 zügeführteη Gasinischung. In Katalysator werden Luft und Propangas nach der Formel C-^Hg + 5 Op —* 3C0_o + 4HpC + Wärme umgesetzt. Da die Reaktion exoterci verläuft, kann der Vorwärmer 35 während des laufenden Betriebs abgestellt v/erden. Das Temperaturmessgerät 53 mißt; die Temperatur der den. Katalysator verlassenden Gase. Lurch eine geeignete Segeleinrichtung kann der Rotadurehflußmesser 40 so beeinflußt werden, daß er die Propangaszufuhr drosselt, wenn die Temperatur eine für den Katalysator erlaubte Maximaltemperatur erreicht. Diese sollte, um eine Beschädigung des Katalysatomaterials zu - vermeiden, nicht höher als 750° G liegen. Zu Beginn wird durch .Vorwärmung vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 270° C aufgeheizt. Der "wasserdampf wird im Kondensator 43 abgeschieden, und das vom Dampf befreite Gas strömt weiter zur Kammer 46. Das Cp-Nesser steuert den Rotadurchflußmesser 51 in der Veise, daß die Menge des durch die Pumpe 49 über die Leitung 48 zurückgeleiteten Gases vergrößert wird, wenn der Gehalt an Sauerstoff in der Auslaßleitung 47 ansteigt, und umgekehrt die zurückgeieitete Gasmenge verringert wird, wenn der Gehalt an Sauerstoff auf den gewünschten Vert zurückfällt. Versuche haben gezeigt, daß bei richtiger Regelung der Gehalt an 0~ ir. der Auslaßleitung 47 auf 2/Ö oder weniger reduziert werden kann. Die Menge Sauerstoff in der Einlaßluft bestimmt sich nach folgender Formel:

L EiVh * -tot = L-V-Vh , wobei L ' die gesamte Luftmenge und L die Menge Sauerstoff in der Luft darstellen.

Die Menge Up kann nach folgender Formel bestimmt werden: L¹EiVh * -SS-- = L^mVh, wobei 1? die Menge des in der Luft enthaltenen Stickitoffs Np

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Das Propangas reagiert mit; dem Sauerstoff der Luft nach Gleichung:

C-7H0 + j O₀ —^ ,pCO", + 4i.i_OC.

omit kann der Propangasstrom wie folgt bestimmt v? erden: L'nrVh * 4- - L !cvh, wobei L ⁺ die Menge Propangas darstellt.

Der gesamte Gasstrom errechnet sich wie folgt: "ZJL Q^/h = L¹ + L⁴Ei⁵A (C₇Ho + Luft).

Die Herabsetzung des Sauerstoffgehalts auf z. B. 2% der Gasnischung ergibt sich wie folgt: (L¹+ L⁴) nV ⁵

Der ReZirkulationsstrom beträgt:
L — CL + L ; m Zh.

Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens benutzte Vorrichtung ist verhältnismäßig klein im Vergleich zu den bisher bekannten Anlagen, die entweder mit Verbrennung von Mineralölen oder mit der Reinigung von Abgasen arbeiten. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist in der Lage, gro2e Mengen eines reaktionsträgen Gases, welches nur ca. 2% C^ enthält, zu liefern, um z.B.■explosive Gase zu lagern. Vegen der verhältnismäßig geringen für das Verfahren erforderlichen Menge Kohlenwasserstoff, fallen die Kosten der Stickstoffherstellung gering aus. In Folge der Tatsache, daß die Anlage entfernt von der Entflammbarkeitsgrenze arbeitet, bietet sie die gevrünschte Sicherheit im Einsatz sowohl an Land als auch an See. Veil das erhaltene Gas ungefähr 3Q% N^ und somit nur sehr geringe Mengen HpO + CCp enthält, sind in der Mischung daneben weder SOp noch andere korrosive Bestandteile enthalten.

Jigur 2 zeigt einen Prototyp einer erfindun^sgemäßen Anlage, mir der.eine Herabsetzung des Op-Gehalts auf erreicht wird, wobei die Regelung des gesamten

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und insbesondere der Gasrückführung mitteis Eotadurchflu2n:essern und TeEperaturneßgeraten in Abhängigkeit VOiX CU-Gehalt, der durch ein entsprechendes XeSgerät angezeigt *rird, erfolgt. Sei diesem Prototyp lag die Stickstoffproduktion bei 250 a /h.

In Abwandlung der beschriebenen Ausiührungsbeispiele kann die wasserabscheidung statt durch einen Kondensator durch Kühlung mit Propan als Kühlmittel durchgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff (iT_?) aus Luft, dadurch gekennzeichnet, daß vorgewärmte Luft mittels eines Katalysators (15, 19» 37) zur Reaktion gebracht wird und das dabei erhaltene Gas zur Abscheidung von Wasser über einen Kondensator (22, 4-3) und danach durch einen Kohlendioxydabscheider (2?)· geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Propangas (C^Ho) Verwendung findet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Katalysator (15₅ 37) zugeführte Luft; auf eine Temperatur von ca. 200° bis 300° C vorgewärmt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Luft zugefügte Menge Propangas in der Größenordnung von ungefähr 2% bis 5% der Luftmenge liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom über einen primärenν sekundären Katalysator (15> 19) geleitet wird, und beiden Katalysatoren Propangas (C-Hg) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Katalysator (15, 19) ausströmende Gas (N₂ + CO₂ + H₂O) über

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einen Wärmetauscher (11) geleitet wird, welcher die den Katalysator zugeführte Luft aufheizt.

7· Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Katalysator (15, 19) streikende Gas (N₂ + CO₂ + H₃O) durch einen Wasserabscheider (22) geleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Wasserabscheider (22) strömende Gas ((N^ + CCO über einen Kohlendioxydabscheider (27) geleitet wird.

9- Verfahren nach einem der Anspräche 1-3₅ dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der aus dem Katalysator (37) strömenden Gasmischung zurückgeführt und vor dem Katalysator wieder eingeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, daß das in der Gasmischung vorhandene Wasser vor der He zirkulation abgeschieden wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,· dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der Kombination eines Katalysators (15, 19» 37)? einen diesem vorgeschalteten Luftvorwärmer (11, 35)? Kitteln zur Zuführung von Kohlenwasserstoff zum Luftstrom durch den Katalysator, einem Wasserabscheider (22, 4]5) und einem diesem nachgeordneten Kohlendioxydabscheider (27) besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus zwei einander folgenden stufen (15, I9)ksteht und Zuführleitungen (17, 20) für die Zufuhr von Kohlenwasserstoff zu beiden Katalysatorsfcufen (15i 19) vorhanden sind.

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13· Vorrichtung nach Anspruch. 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, d&3 eine Regeleinrichtung £ur Regelung der den Katalysator zugeführten Menge Kohlenwasserstoff in Abhängigkeit vom Gehalt an freien Sauerstoff vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 — 13, dadurch gekennzeichnet, daS sie einen deiji Katalysator (15, 19) nachgeordneten Wärmetauscher (11) aufweis-c, in welchem bei der Reaktion im Katalysator erhaltene überschüssige Wärme der Frischluft zugeführt wird.

Ip. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxydabscheider (27) aus einer drehbaren Platte besteht, welche enge, mit einem Kohlendioxyd absorbierenden Eelag versehene Kanäle enthält und kontinuierlich reaktivierbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 15 ■> dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxydabscheider (2?) vom Typ der Molekülsiebe ist.

17· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden.Ansprüchedadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (I5i 19» 37) ein Platinkatalysator ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (48), welche hinter dem Katalysator (37) angeschlossen ist und zur Einlaßseite des Katalysators zurückführt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückführleitung (48) eine Regeleinrichtung (51) angeordnet ist, welche die Menge des zurückgeführten Gases in Abhängigkeit von der Menge des freien Sauerstoffs im Auslaßgas reguliert.

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20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Eückführleitung (4-8) eine Punpe (4-9) angeordnet ist. . -

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