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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Entfernen von und Verhindern der Bildung von Salzablagerungen bei gefährdeten Stellen einer Anlage, bei welcher Prozessgase, die Verunreinigungen von Ammoniumsalpeter aufweisen, gefördert und verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass diesen Stellen der Anlage Dampf in solchen Mengen zugeführt wird, dass ein Wasserdampfdruck entsteht, der grösser ist als der bei der jeweiligen Temperatur über der Salzablagerung vorhandene Sattwasserdampfdruck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf in Intervallen in die Verdichter für salpeterhaltiges Gas bei ihrem Einlass oder stromaufwärts von ihrem Einlass eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf in einer Menge von 0,01-3 kg pro m3 Prozessgas, vorteilhaft 0,067-0,075 kg pro m3 den Verdichtern für salpeterhaltiges Gas zugeführt wird
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf während kurzen Zeitspannen von weniger als 15 Minuten, vorteilhaft von weniger als 1 Minute, eingebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf in die Dichtungsanordnungen der Verdichter eingebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf zusammen mit Luft eingebracht wird und dass die Menge Dampf und Luft derart gesteuert wird, dass ein Wasserdampfpartialdruck erhalten wird, der immer grösser als der Sattwasserdampfdruck der Salzablagerungen bei den höchsten Temperaturen ist, die in den Dichtungsanordnungen auftreten.
7. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Dampfeinbringvorrichtung aufweist, die mit einer Dampfquelle (6) verbunden ist, welche Vorrichtung ein Dampfrohr aufweist, das mit Düsen (7) verbunden ist, die stromaufwärts des Verfahrensbereiches angeordnet sind, bei dem Salzablagerungen zu entfernen oder zu verhindern sind.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter der Anlage mit den Düsen (7) zum Einbringen vom Dampf ausgerüstet sind.
9. Anlage nach Anspruch 7, mit Axial- oder Zentrifugalverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass alle Verdichter Gehäuse aufweisen, die keine Vorrichtungen zum Anordnen von in Längsreihen angeordneten Waschwasserdüsen aufweisen, wohingegen eine oder mehrere Dampfdüsen (7) in die Gaseinlässe (3) der Verdichter ragen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von und Verhindern der Bildung von Salzablagerungen bei gefahrdaten Stellen einer Anlage, bei welcher Prozessgase die Verunreinigungen von Ammoniumsalpeter aufweisen, gefördert und verdichtet werden und betrifft auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
In beispielsweise zwei Druckanlagen zur Herstellung von Salpetersäure und Caprolactam wird Prozessgas gefördert und verdichtet, welches Verunreinigungen aufweist. In Verdichtern von salpeterhalügem Gas und anderen Strömungsstellen von Anlagen bilden sich Ablagerungen von kristallinem Ammoniumsalpeter, und das Verfahren zielt unter anderem darauf hin. solche Ablagerungen zu entfernen oder auch grundlegend zu verhindern.
Ablagerungen von Ammoniumsalpeter, die beispielsweise durch nichtumgesetztes Ammoniak aus der katalytischen Oxidation von NH3 zu NO entstehen, vermindern insbesondere das Fördervermögen bzw. Durchflussvolumen von Verdichtern zum Verdichten von Gas, das Salpeter enthält, bewirkt eine Erhöhung des Energiebedarfes und kann auch bewirken, dass bei den sich drehenden Teilen der Verdichter Unwuchten entstehen. Weiter können solche Salzablagerungen eine Sicherheitsgefährdung darstellen, wenn das Ansammeln von Salz nicht verhindert oder zumindest beschränkt wird.
Seit vor mehr als 30 Jahren die ersten Verdichter für salpeterhaltiges Gas in Ammoniumsalpeteranlagen angeordnet worden sind, ist es ein übliches Vorgehen, zum Entfernen der Salzablagerungen Wasser einzuspritzen oder einzusprühen.
Die Verdichter weisen üblicherweise Reihen von Sprühdüsen in ihren Strömungskanälen auf, um während des Betriebes der Anlage periodisch Wasser einzuspritzen. Die Zeitspannen, die jeweils zwischen jedem Waschen verstreichen, können von 4 bis 36 Stunden betragen, und die Zeitspanne, während welcher das Waschen selbst durchgeführt wird, beträgt etwa zwischen 10 und 30 Minuten. Ublicherweise wird das zugeführte Wasser während des Waschens in einer Menge von 0,5-2,0 g/kmol Prozessgas zugegeben. Es gibt sogar Verdichter für salpeterhaltiges Gas, die zusätzlich zum diskontinuierlichen Waschen ein dauerndes Wassereinspritzen enthalten.
Üblicherweise wird auch den DichtungsanIagen der Verdichter dauernd Wasser zugeführt, um ein Verschmutzen der Labyrinthe durch Salzablagerungen zu verhindern. Die Menge dieses eingespritzten Wassers kann bis zu 500 kg/h betragen, welches Wasser im Erzeugnis vorhanden ist, entweder durch ein Verdampfen im Prozessgas oder durch ein Wegführen in Form von Kondensat. Somit werden beträchtliche Mengen Wasser verwendet, um die Salzablagerungen sicher überwachen und steuern zu können. Jedoch ist die Zufuhr von Waschwasser zum Prozessgas oder zum Kondensat unerwünscht, weil das Wasser durch ein entsprechendes Vermindern der Menge Prozesswasser zur Absorptionsanlage ausgeglichen werden muss, derart, dass die Wirksamkeit der Absorption vermindert wird, oder dass die höchstmögliche Konzentration des Erzeugnisses verschlechtert wird.
Trotz einer länger dauernden Wassereinspritzung in den Verdichter, entfernt das Waschwasser nicht genügend Ablagerungen, um das grösstmögliche Arbeitsvermögen wiederherzustellen. Der Grund dazu ist, dass die Tropfen des eingespritzten Wassers aufgrund ihrer Trägheit nicht alle Oberflächenbereiche, bei denen Ablagerungen eintreten, befeuchten. Bei einigen Verdichtern kann die Salzansammlung bei diesen Oberflächenbereichen derart gross sein, dass es notwendig ist, den Verdichter von Zeit zu Zeit ausser Betrieb zu setzen, um ein gründlicheres Waschen durchzuführen, um damit die ursprüngliche Arbeitsfähigkeit wiederherzustellen.
Die eingespritzten Wassertropfen können auch zu ernsten Erosionen im Verdichter führen, insbesondere bei den Rotorschaufeln der Axialverdichter und bei den mit Bolzen gebildeten Verbindungen in Zentrifugalverdichtern.
Weiter ist ein wirksameres Entfernen der Salzablagerungen insbesondere erwünscht, um ein höheres durchschnittliches Fördervermögen, also höheres durchschnittliches Durchflussvolumen, im Verdichter beizubehalten, um somit die Leistungsfähigkeit der Anlage zu erhöhen.
Daher ist es ein hauptsächliches Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren zum Entfernen von Salzablagerungen zu schaffen, welches Verfahren die oben erwähnten, ernsten Nachteile behebt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass den genannten Stellen der Anlage Dampf in
solchen Mengen zugeführt wird, dass ein Wasserdampfdruck entsteht, der grösser ist als der bei der jeweiligen Temperatur über den Salzablagerungen vorhandene Sattwasserdampfdruck.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Zustandsdiagramm von Ammoniumsalpeter in bezug auf Druck und Temperatur,
Fig. 2 die Änderung von Wasserdampfdruck in einem beliebigen Verdichter als Funktion der Temperatur,
Fig. 3 vereinfacht eine Waschanlage an einem Axialverdichter, und
Fig. 4 vereinfacht eine Waschanlage an einem Radialverdichter.
Die physikalischen Bedingungen zum Entfernen kristalliner Salzablagerungen müssen derart sein, dass entweder das Salz in einen flüssigen Zustand übergeführt wird, oder das Salz muss auf Temperaturen gebracht werden, bei welchen es sublimiert oder sich zersetzt. Beim Vergleichen des Kristallisationspunktes (Schmelzpunktes) für ein Gemisch aus Ammoniumsalpeter und Wasser, das im Gleichgewicht mit dem Wasserdampfdruck oberhalb des Gemisches steht, hat es sich herausgestellt, dass eine temperaturabhängige obere Grenze des Dampfdruckes, bei welchem kristalliner Ammoniumsalpeter bestehen kann, vorhanden ist. Diese Beziehung ist in der Fig. 1 graphisch dargestellt, wobei die Kurve 1 den Wasserdampfdruck über einer gesättigten Lösung des Salzes zeigt und die Kurve 2 den Sättigungspunkt bzw. Taupunkt des Prozessgases zeigt.
Diese Kurven zeigen, dass kristalliner Ammoniumsalpeter unter keinen Umständen bestehen kann, wenn die Temperatur höher als 1 700C ist, oder wenn der Wasserdampfdruck höher als 0,25 bar ist.
Bei der adiabatischen oder polytropen Verdichtung des Prozessgases gibt es ein vorgegebenes Verhältnis zwischen Druck und Temperatur. Es ist daher für den Fachmann möglich, die Änderung des Wasserdampfdruckes in Funktion der Temperaturänderungen entlang des Strömungskanals des Verdichters zu berechnen. In der Fig. 2 ist die Änderung des Wasserdampfdruckes durch einen beliebigen Verdichter als Funktion der Temperatur dargestellt. Die Kurven 1 und 2 geben an, dass das Bilden von Ablagerungen für einen Wasserdampfgehalt entsprechend der Kurve 2 zwischen 35 und 163 "C möglich ist.
Diese fundamentalen physikalischen Daten werden gemäss der Erfindung verwendet, um das Bilden bzw. das Vorhandensein von Salzablagerungen zu verhindern, indem der Wasserdampfdruck zweckdienlich erhöht wird durch das Verwenden eines besonderen Einbringens von von aussen zugeführtem Dampf. Falls die Salzablagerungen zu entfernen sind, indem der Wasserdampfdruck erhöht wird, d. h. indem von aussen Dampf zugeführt wird, muss der Wasserdampfdruck bei allen im Verdichter vorhandenen Temperaturen höher als der Sättigungsdruck oberhalb der Salzablagerungen bei derselben Temperatur sein. Ein Beispiel eines minimalen Dampfzusatzes ist durch die Kurve 3 in der Fig. 2 dargestellt.
Aus der Zeichnung geht hervor, dass für einen herkömmlichen Verdichter die Kurve für minimale Dampfaufnahme die Sättigungskurve für Salzablagerungen bei ungefähr 110 "C und 0,25 bar Wasserdampfdruck berührt bzw.
dazu tangential verläuft.
Wenn man den Polytropenexponenten für den Verdichter und den Feuchtigkeitsgehalt des Prozessgases vor dem Einbringen von Dampf kennt, kann die spezifische Dampfaufnahme berechnet werden. Diese Dampfaufnahme bzw.
dieser Dampfverbrauch wird üblicherweise ungefähr 0,065-0,075 kg Dampf/m3 eingebrachtes Gas (effektives Volumen) betragen. Die prozentuale Verminderung des Stickstoffoxyddurchsatzes während dem Dampfreinigen wird daher stark vom Ansaugdruck abhängen, und wird sich daher von ungefähr 14%, wenn der Ansaugdruck 0,9 bar ist, bis ungefähr 2%, wenn der Ansaugdruck 5 bar ist, ändern.
In der Dichtungsanordnung eines Verdichters können Ablagerungen ebenfalls verhindert werden, indem das eingespritzte Wasser mit eingespritztem reinen Dampf oder einem Gemisch aus Wasser und Dampf ersetzt wird, welches eine gesättigte Salzlösung bei allen Temperaturen erzeugen kann, sogar bei den höchsten Temperaturen, die in den Dichtungen oder in zusätzlichen Entwässerungsleitungen auftreten.
Entsprechend der Erfindung ist also ein neues Verfahren geschaffen, welches das Bilden von Salzablagerungen, wie oben erklärt, verhindert oder solche Salzablagerungen entfernt. Die Besonderheiten dieser Erfindung und auch besondere Konstruktionsanordnungen, welche notwendig sind, um dieses Verfahren auszuführen, werden nachfolgend beschrieben und sind in den Patentansprüchen angegeben.
Die besondere technische Auswirkung, die hier erhalten werden kann, ist, dass die physikalischen Bedingungen für das Entfernen von Salz unmittelbar gebildet werden können, so dass eine unmittelbare Reinigungseinwirkung auf allen von Ablagerungen überdeckten Oberflächenbereichen entstehen kann, und dieses weitgehend unabhängig von der jeweiligen Stelle, bei denen die Ablagerungen vorhanden sind, oder unabhängig davon, wie schwierig die Zugänglichkeit dieser Ablagerungen sein kann.
Praktisch durchgeführte Prüfungen zeigten, dass der übliche Bedarf an Dampf unbedeutend höher ist als der oben angegebene minimale Dampfbedarf, und dass bestehende Ablagerungen nach einer Behandlung von lediglich 15-20 Sekunden aufgelöst worden sind.
Das Verfahren und die Anordnung zum Zuführen des Dampfes wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 und anhand drei verschiedener Beispiele beschrieben: in einem Niederdruckverdichter, in einem Hochdruckverdichter und in der Dichtungsanordnung eines Hochdruckverdichters.
Beispiel 1
Heisses, Stickstoffoxyd enthaltendes Gas 1, welches von einer atmosphärischen Brennanlage stammt, wurde in einem Gaskondensator 2 auf 30 "C gekühlt. Das gekühlte Gas 3, welches einen Druck von 0,9 bar absolut aufwies, wurde in einem Axialverdichter 4 zu 3,0 bar absolut verdichtet. Die Temperatur beim Austritt 5 des Verdichters war 200 C. Danach wurde das heisse Gas gekühlt und einem Absolutionsturm zugeführt, in welchem Salpetersäure erzeugt wurde (in den Zeichnungen nicht gezeigt). Das Arbeitsvermögen des Verdichters bei reinem Verdichter war 1800 kg/Std., welches einem Mengenfluss von 50000 m3 beim Einlass 3 entspricht.
Während dem Betrieb wurde nun die Durchflussmenge aufgrund der Bildung von Ammoniumsalpeterablagerungen allmählich vermindert. Die Verminderung entsprach ungefähr einer täglichen Verminderung von 5%. Der Verdichter war nicht mit einer Anlage zur dauernden Wassereinspritzung ausgerüstet, jedoch wurde der Verdichter jede achte Betriebsstunde mit von einem Dampfspeicher 6 stammendem Dampfbehandelt. Während der Behandlung ist die Durchsatzleistung auf ungefähr 30 kg/Std. vermindert worden. Der Dampf, der bei 5 bar absolut gesättigt war, wurde durch ein durchlöchertes Rohr 7 bei der Saugseite des Verdichters eingebracht, welches Rohr 7 mit der Richtung der Gasströmung einen rechten Winkel einschliesst und ungefähr
1 Y1 m vor dem Verdichter angeordnet war.
Das durchlöcherte Rohr wies einen Durchmesser von 100 mm auf und war mit ungefähr 80 Löchern mit jeweils einem Durchmesser von 15 mm versehen. Die Dampfzufuhr wurde durch ein Ventil 8 gesteuert und die Menge mittels einer Messvorrichtung 9 gemessen und aufgezeichnet. Jegliches Kondensat, das entstand, wurde zwecks Entwässerung einem Kondensatbehälter 10 zugeleitet. Während dem Dampfwaschen wurde während ungefähr 15 Sekunden eine Dampfmenge von 3500 kg Dampf/Std. eingebracht. Folglich war die gesamte Menge Dampf während des Waschens ungefähr 15-25 kg, abhängig davon, wie schnell der Durchsatz von Stickstoffoxyd geändert werden konnte, ohne dass die Brenneinheit gestört wurde.
Während dem Eindringen von Dampf hat sich die Temperatur beim Einlass 3 des Verdichters auf 45 "C erhöht, und die Temperatur beim Auslass des Verdichters hat sich auf 195 0C vermindert. Die während des Einbringens von Dampf entstandenen Änderungen der Temperatur und des Druckes in anderen Anlageteilen der Salpetersäureanlage waren vernachlässigbar. Während des Zugebens von Dampf hat sich die Mengenströmung des Stickstoffoxyd enthaltenden Gases von der Verbrennungsanlage 1 um 40% verringert. Nach dem Einbringen des Dampfes war der Verdichter wieder sauber und arbeitete mit höchster Arbeitsleistung.
Beispiel 2
Heisses, Stickstoffoxyd enthaltendes Gas 1 (Fig. 4) wurde in einem Kondensator auf 30 "C gekühlt und danach in einem Radialverdichter 3 verdichtet. Der Druck bei der Saugseite 4 des Verdichters war 4,5 bar absolut, und beim Auslass 5 des Kompressors war dieser Druck 10 bar absolut und die Temperatur 100 C. Das Leistungsvermögen des Verdichters betrug 1800 kg/Std., welches einem Mengenfluss von 1000 m3/Std. beim Einlass 4 des Verdichters entspricht.
Der Verdichter wurde mit 700 kg Dampf/Std. während einer Zeitspanne von einer halben Minute alle acht Stunden gereinigt (die totale Menge von Dampf betrug 6-10 kg). Der Dampf, der bei 10 bar absolut gesättigt war, wurde von einer Dampfquelle 6 mittels einer Leitung und dem Prozessgas durch zwei Düsen zugeführt, welche ungefähr 1 V2 m vor dem Verdichter derart angeordnet waren, dass ein gleichförmiges Vermischen mit dem Gasstrom entstand. Die Temperaturänderungen und Druckänderungen während und nach dem Zugeben von Dampf waren vernachlässigbar und störten den Betrieb der Anlage nicht.
Während dem Zugeben des Dampfes verminderte sich der Mengenstrom des Stickstoffoxyd enthaltenden Gases um ungefähr 2%. Nach dem Zusatz des Dampfes arbeitete der Verdichter wieder mit maximalem Arbeitsvermögen.
Beispiel 3
Dampf, der von derselben Quelle 6 herstammte, wurde in diesem Fall jedoch mittels besonders ausgebildeter Leitungen und Düsen dauernd in die Labyrinth-Dichtungen 8 und 9 des Verdichters eingebracht. Bei den Stopfbüchsen des Verdichters wurde eine Luftdichtung 10, 11 zugebaut, welche Stopfbüchsen auch Entlüftungseinrichtungen 12, 13 sowie Einrichtungen 14, 15 zum Abführen von Dampf und Kondensat enthielten. Ungefähr 1 kg Dampf/Std. wurde durch die Labyrinth-Dichtungen 8 und ungefähr 2,5 kg Dampf/Std. durch die Labyrinth-Dichtungen 9 durchgeführt. Somit wurde die herkömmliche Wassereinspritzung von ungefähr 200 kg/Std. ersetzt und ein wirksames Verhindern von Salzbildung erhalten.
Auf der Grundlage der Ergebnisse der obigen Beispiele und aufgrund zusätzlicher Prüfungen, welche durchgeführt wurden, können wir schliessen, dass Dampf in einer Menge von 0,02-0,03 kg/m3 Prozessgas zugeführt werden kann, welcher Dampfjedoch vorteilhaft in Mengen von 0,067-0,075 kg/m3 Prozessgas zugeführt werden soll.
Zudem ist es nicht mehr notwendig, in die Verdichter und anderen Teile der Anlage Dampf während einer Zeitspanne einzubringen, die länger als 15 Minuten dauert.
Während dem Betrieb der Anlage ist es jedoch zu bevorzugen, Dampf in Intervallen von weniger als 1 Minute einzubringen. Es gibt keine Gründe, die ein Berechnen einer optimalen Zeitspanne zwischen einzelnen Zugaben von Dampf vorschreiben würden, weil geschlossen werden konnte, dass die diesbezügliche Flexibilität sehr gross ist.
Indem das herkömmliche Wasserwaschen mit dem erfindungsgemässen Verfahren zum Entfernen von Salz ersetzt wird, kann nun das Reinigen viel wirksamer werden. Die Zugabe von unerwünschtem Wasser zum Verfahren, d. h. in die Anlage, kann bis zu 90% vermindert werden und die notwendige Zeitspanne, die zum Waschen notwendig ist, kann sehr stark vermindert werden. Weiter kann die Zeitspanne zwischen jedem Waschen vermindert werden, so das das durchschnittliche Arbeitsvermögen der Anlage erhöht werden kann. Der eingebrachte Dampf kann auch die Erosionsschwierigkeiten aufheben, welche durch das Einspritzen von Wasser in die Verdichtung entstehen.
Die Konstruktion der Verdichtung kann durch die Verwendung von Dampf anstatt von Wasser zum Reinigen vereinfacht werden. Das Einsetzen von Dampfdüsen in der Form durchlöcherter Rohre oder Ähnlichem stromaufwärts des Verdichters wird die herkömmlichen Reihen kleiner Sprühdüsen ersetzen, welche Sprühdüsen gegenwärtig in den Strömungskanälen des Verdichters angeordnet werden mussten. Dieses bedingt nämlich, dass Löcher durch das Verdichtergehäuse gebohrt werden müssen und ergibt aufwendige und teure konstruktive Ausbildungen.
Somit haben wir bedeutende Vorteile des Reinigungsverfahrens und der Anlage gemäss der Erfindung erhalten. Obwohl es nicht überraschend sein muss, dass die Salzablagerungen entfernt werden, wenn der Wasserdampfdruck auf ei.
nen Wert erhöht wird, der höher ist als der Gleichgewichtsdruck für gesättigte Lösungen des Dampfes, ist es doch in der Tat überrraschend, dass das Salz während einer derart kurzen Zeitspanne aufgelöst wird. Währenddem die Wasserzugabe zu den Verdichtern üblicherweise während einer Zeitspanne bis zu 30 Minuten durchgeführt wurde, wobei nicht einmal die ursprüngliche Förderfähigkeit erreicht werden konnte, erhält man nun ein vollständiges Reinigen mit Einbringen von Dampf nach einer Zeitspanne von lediglich 1530 Sekunden. Sogar wenn der erstweilige Dampfverbrauch bei Verdichtern mit tiefem Druck verhältnismässig hoch ist, wird diese kurze Zeitspanne des Reinigens die gesamte Wassermengenzugabe zum Verfahren stark vermindern. Diese kurze Zeitspanne des Waschens wird nur einen kleinen Verlust der Produktion während des Reinigens zur Folge haben.
Bei Hochdruckverdichtern ist der ursprüngliche Bedarf an Dampf spürbar kleiner, derart, dass sogar die kurzzeitige Wasserzugabe kleiner sein wird als während des Waschens mittels Wasser.
Ein Vorurteil bezüglich des Entfernens von Salzablagerungen mittels Dampf war sehr wahrscheinlich das, dass die höhere Temperatur beim Einlass einen unzulässigen Temperaturanstieg beim Auslass des Verdichters zur Folge hat.
Wasserdampf weist jedoch eine grössere spezifische Wärmekapazität als Prozessgas auf, und unsere Prüfungen haben gezeigt, dass eine gewisse Dampfzugabe in der Tat ein Vermindern der Temperatur beim Auslass während des Reinigens zur Folge hat.
Obwohl die Erfindung beispielsweise primär in Verbindung mit dem Verhindern und Entfernen von Salzablagerungen in Verdichtern für salpeterhaltiges Gas beschrieben wurde und in bezug auf zusätzliche Dichtungsanordnungen, bei welchen die Ablagerungsschwierigkeiten die grössten sind, ist es offensichtlich, dass das erfindungsgemässe Verfahren auch bei anderen Anlagebereichen verwendet werden kann, bei welchen solche Schwierigkeiten auftreten. In der Tat ist die Technik allgemein zweckdienlich zum Durchführen bei anderen Anlagen. bei welchen Salza blagerungen entstehen und dort, wo es möglich ist, durch ein Steuern von Temperaturen und Dampfdruck die notwendigen Zustände für ein schlagartiges Auflösen der Salzablagerungen zu bilden.
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PATENT CLAIMS
1. A method for removing and preventing the formation of salt deposits at vulnerable points in a plant, in which process gases which contain ammonium nitrate impurities are conveyed and compressed, characterized in that steam is supplied to these points of the plant in such quantities that a Water vapor pressure arises that is greater than the saturated water vapor pressure present at the respective temperature above the salt deposit.
2. The method according to claim 1, characterized in that the steam is introduced at intervals in the compressors for nitric gas at their inlet or upstream of their inlet.
3. The method according to claim 2, characterized in that the steam in an amount of 0.01-3 kg per m3 of process gas, advantageously 0.067-0.075 kg per m3 is fed to the compressors for nitric gas
4. The method according to any one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the steam is introduced for short periods of less than 15 minutes, advantageously less than 1 minute.
5. The method according to claim 1, characterized in that the steam is introduced into the sealing arrangements of the compressor.
6. The method according to claim 5, characterized in that the steam is introduced together with air and that the amount of steam and air is controlled such that a water vapor partial pressure is obtained which is always greater than the saturated water vapor pressure of the salt deposits at the highest temperatures, the occur in the sealing arrangements.
7. Plant for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the plant has a steam introduction device which is connected to a steam source (6), which device has a steam pipe which is connected to nozzles (7) which are upstream of the process area are arranged in which salt deposits are to be removed or prevented.
8. Plant according to claim 7, characterized in that the compressors of the plant are equipped with the nozzles (7) for introducing steam.
9. Plant according to claim 7, with axial or centrifugal compressor, characterized in that all compressors have housings which have no devices for arranging wash water nozzles arranged in longitudinal rows, whereas one or more steam nozzles (7) into the gas inlets (3) of the compressors protrude.
The invention relates to a method for removing and preventing the formation of salt deposits at hazardous data points in a plant in which process gases have the contaminants of ammonium nitrate are conveyed and compressed and also relates to a plant for carrying out the method.
In two pressure plants for the production of nitric acid and caprolactam, for example, process gas that contains impurities is conveyed and compressed. Deposits of crystalline ammonium nitrate form in compressors of nitrate-containing gas and other flow points in plants, and the process aims at this, among other things. to remove such deposits or to prevent them fundamentally.
Deposits of ammonium nitrate, which arise, for example, from unreacted ammonia from the catalytic oxidation of NH3 to NO, in particular reduce the pumping capacity or flow volume of compressors for compressing gas which contains nitrate, causes an increase in the energy requirement and can also cause the rotating parts of the compressor create unbalances. Furthermore, such salt deposits can pose a safety hazard if the accumulation of salt is not prevented or at least restricted.
Since the first compressors for nitric gas were placed in ammonium nitrate plants more than 30 years ago, it has been a common practice to inject or spray water to remove salt deposits.
The compressors typically have rows of spray nozzles in their flow channels to periodically inject water during system operation. The periods of time that elapse between each wash can range from 4 to 36 hours, and the period of time during which the wash itself is carried out is approximately between 10 and 30 minutes. Usually, the water supplied during the washing is added in an amount of 0.5-2.0 g / kmol process gas. There are even compressors for gas containing nitrous oxide which, in addition to discontinuous washing, contain permanent water injection.
Usually, the sealing systems of the compressors are continuously supplied with water in order to prevent the labyrinths from being contaminated by salt deposits. The amount of this injected water can be up to 500 kg / h, which water is present in the product, either by evaporation in the process gas or by being carried away in the form of condensate. This means that considerable amounts of water are used to monitor and control salt deposits safely. However, the supply of wash water to the process gas or to the condensate is undesirable because the water must be compensated for by reducing the amount of process water to the absorption system accordingly, in such a way that the effectiveness of the absorption is reduced or that the highest possible concentration of the product is deteriorated.
Despite a longer injection of water into the compressor, the wash water does not remove enough deposits to restore the greatest possible working capacity. The reason for this is that the droplets of the injected water do not moisten all surface areas where deposits occur due to their inertia. With some compressors, the salt accumulation on these surface areas can be so large that it is necessary to shut down the compressor from time to time in order to carry out a more thorough washing in order to restore the original working capacity.
The injected water drops can also lead to serious erosions in the compressor, particularly in the rotor blades of the axial compressors and in the connections formed with bolts in centrifugal compressors.
Furthermore, a more effective removal of the salt deposits is particularly desirable in order to maintain a higher average delivery capacity, that is to say a higher average flow volume, in the compressor, in order to thus increase the performance of the system.
It is therefore a primary object of the invention to provide a new method for removing salt deposits which method overcomes the serious disadvantages mentioned above.
The method according to the invention is characterized in that steam in
is supplied in such quantities that a water vapor pressure arises which is greater than the saturated water vapor pressure present at the respective temperature above the salt deposits.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail with reference to the drawings.
Show it:
1 is a state diagram of ammonium nitreter in relation to pressure and temperature,
2 shows the change in water vapor pressure in any compressor as a function of temperature,
Fig. 3 simplifies a washing system on an axial compressor, and
Fig. 4 simplifies a washing system on a radial compressor.
The physical conditions for removing crystalline salt deposits must be such that either the salt is converted into a liquid state or the salt must be brought to temperatures at which it sublimes or decomposes. When comparing the crystallization point (melting point) for a mixture of ammonium nitrate and water which is in equilibrium with the water vapor pressure above the mixture, it was found that there is a temperature-dependent upper limit of the vapor pressure at which crystalline ammonium nitrate can exist. This relationship is shown graphically in FIG. 1, where curve 1 shows the water vapor pressure over a saturated solution of the salt and curve 2 shows the saturation point or dew point of the process gas.
These curves show that crystalline ammonium nitrate cannot exist under any circumstances if the temperature is higher than 1700C or if the water vapor pressure is higher than 0.25 bar.
With adiabatic or polytropic compression of the process gas, there is a predetermined relationship between pressure and temperature. It is therefore possible for the person skilled in the art to calculate the change in the water vapor pressure as a function of the temperature changes along the flow channel of the compressor. 2 shows the change in water vapor pressure by any compressor as a function of temperature. Curves 1 and 2 indicate that the formation of deposits for a water vapor content according to curve 2 between 35 and 163 "C is possible.
This fundamental physical data is used according to the invention to prevent the formation of salt deposits by appropriately increasing the water vapor pressure by using a special introduction of externally supplied steam. If the salt deposits are to be removed by increasing the water vapor pressure, i. H. by supplying steam from the outside, the water vapor pressure at all temperatures in the compressor must be higher than the saturation pressure above the salt deposits at the same temperature. An example of a minimal steam addition is shown by curve 3 in FIG. 2.
From the drawing it can be seen that for a conventional compressor the curve for minimal steam absorption touches the saturation curve for salt deposits at approximately 110 ° C. and 0.25 bar water vapor pressure or
runs tangentially.
If one knows the polytropic exponent for the compressor and the moisture content of the process gas before the introduction of steam, the specific steam absorption can be calculated. This steam absorption or
this steam consumption will usually be approximately 0.065-0.075 kg steam / m3 introduced gas (effective volume). The percentage reduction in nitric oxide flow rate during steam cleaning will therefore depend heavily on the suction pressure, and will therefore change from about 14% when the suction pressure is 0.9 bar to about 2% when the suction pressure is 5 bar.
Deposits can also be prevented in the seal assembly of a compressor by replacing the injected water with injected pure steam or a mixture of water and steam which can produce a saturated saline solution at all temperatures, even at the highest temperatures in the seals or occur in additional drainage pipes.
According to the invention, a new method is thus created which prevents the formation of salt deposits, as explained above, or removes such salt deposits. The peculiarities of this invention and also special structural arrangements which are necessary to carry out this method are described below and are specified in the patent claims.
The special technical impact that can be obtained here is that the physical conditions for the removal of salt can be formed immediately, so that an immediate cleaning action can occur on all surface areas covered by deposits, and this largely independent of the respective location, where the deposits are present, or regardless of how difficult it may be to access these deposits.
Tests carried out in practice showed that the usual steam requirement is insignificantly higher than the minimum steam requirement given above and that existing deposits were dissolved after a treatment of only 15-20 seconds.
The method and arrangement for supplying the steam will now be described with reference to FIGS. 3 and 4 and using three different examples: in a low pressure compressor, in a high pressure compressor and in the sealing arrangement of a high pressure compressor.
Example 1
Hot gas 1 containing nitrogen oxide, which comes from an atmospheric combustion plant, was cooled in a gas condenser 2 to 30 ° C. The cooled gas 3, which had a pressure of 0.9 bar absolute, became 3.0 in an axial compressor 4 The temperature at the outlet 5 of the compressor was 200 C. The hot gas was then cooled and fed to an absolution tower, in which nitric acid was produced (not shown in the drawings). The working capacity of the compressor with a pure compressor was 1800 kg / Hours, which corresponds to a volume flow of 50,000 m3 at inlet 3.
During operation, the flow rate was gradually reduced due to the formation of ammonium nitrate deposits. The decrease was approximately a 5% daily decrease. The compressor was not equipped with a system for continuous water injection, but the compressor was treated with steam coming from a steam accumulator 6 every eight hours of operation. Throughput during treatment is approximately 30 kg / h. been reduced. The steam, which was absolutely saturated at 5 bar, was introduced through a perforated pipe 7 on the suction side of the compressor, which pipe 7 forms a right angle with the direction of the gas flow and approximately
1 Y1 m before the compressor was arranged.
The perforated tube was 100 mm in diameter and was provided with approximately 80 holes, each with a diameter of 15 mm. The steam supply was controlled by a valve 8 and the amount was measured and recorded by means of a measuring device 9. Any condensate that formed was fed to a condensate container 10 for dewatering. During steam washing, a steam amount of 3500 kg steam / hour was applied for about 15 seconds. brought in. As a result, the total amount of steam during washing was approximately 15-25 kg, depending on how quickly the nitrogen oxide flow rate could be changed without disturbing the firing unit.
During the penetration of steam, the temperature at inlet 3 of the compressor rose to 45 ° C. and the temperature at the outlet of the compressor decreased to 195 ° C. The changes in temperature and pressure which occurred during the introduction of steam in other parts of the system During the addition of steam, the volume flow of the nitrogen oxide-containing gas from the incineration plant 1 was reduced by 40%. After the steam had been introduced, the compressor was clean again and worked at the highest level of work.
Example 2
Hot gas 1 containing nitrogen oxide (FIG. 4) was cooled in a condenser to 30 ° C. and then compressed in a radial compressor 3. The pressure at the suction side 4 of the compressor was 4.5 bar absolute and at the outlet 5 of the compressor this pressure 10 bar absolute and the temperature 100 C. The capacity of the compressor was 1800 kg / hour, which corresponds to a flow rate of 1000 m3 / hour at inlet 4 of the compressor.
The compressor was run at 700 kg steam / hour. cleaned every eight hours for a half-minute period (the total amount of steam was 6-10 kg). The steam, which was absolutely saturated at 10 bar, was fed from a steam source 6 by means of a line and the process gas through two nozzles, which were arranged approximately 1 2 m in front of the compressor in such a way that a uniform mixing with the gas stream was produced. The temperature changes and pressure changes during and after adding steam were negligible and did not interfere with the operation of the system.
During the addition of the steam, the flow rate of the nitrogen oxide-containing gas decreased by approximately 2%. After adding the steam, the compressor worked again with maximum working capacity.
Example 3
In this case, however, steam that originated from the same source 6 was continuously introduced into the labyrinth seals 8 and 9 of the compressor by means of specially designed lines and nozzles. An air seal 10, 11 was added to the stuffing boxes of the compressor, which stuffing boxes also contained venting devices 12, 13 and devices 14, 15 for removing steam and condensate. About 1 kg steam / hour was through the labyrinth seals 8 and about 2.5 kg of steam / hour. performed through the labyrinth seals 9. Thus, the conventional water injection of approximately 200 kg / h. replaced and obtained an effective prevention of salt formation.
Based on the results of the above examples and based on additional tests that have been carried out, we can conclude that steam can be supplied in an amount of 0.02-0.03 kg / m3 process gas, which steam, however, advantageously in amounts of 0.067- 0.075 kg / m3 of process gas should be supplied.
In addition, it is no longer necessary to introduce steam into the compressors and other parts of the system for a period of time that takes longer than 15 minutes.
However, during the operation of the plant, it is preferable to introduce steam at intervals of less than 1 minute. There are no reasons for prescribing an optimal time interval between individual additions of steam because it could be concluded that the flexibility in this regard is very great.
By replacing conventional water washing with the salt removal method of the present invention, cleaning can now become much more effective. The addition of unwanted water to the process, i.e. H. into the system can be reduced by up to 90% and the time required for washing can be greatly reduced. Furthermore, the time period between each washing can be reduced, so that the average working capacity of the system can be increased. The steam introduced can also alleviate the erosion problems caused by injecting water into the compaction.
The design of the compaction can be simplified by using steam instead of water for cleaning. The use of steam nozzles in the form of perforated tubes or the like upstream of the compressor will replace the conventional series of small spray nozzles which spray nozzles currently had to be placed in the flow channels of the compressor. This means that holes have to be drilled through the compressor housing and results in complex and expensive structural designs.
We have thus obtained significant advantages of the cleaning process and the plant according to the invention. Although it is not surprising that the salt deposits are removed when the water vapor pressure is on.
If a value is increased which is higher than the equilibrium pressure for saturated solutions of the vapor, it is indeed surprising that the salt is dissolved in such a short period of time. While the water addition to the compressors was usually carried out for a period of up to 30 minutes, and not even the original eligibility could be reached, a complete cleaning with introduction of steam is now obtained after a period of only 1530 seconds. Even if the initial steam consumption in compressors with low pressure is relatively high, this short period of cleaning will greatly reduce the total amount of water added to the process. This short period of washing will result in only a small loss of production during cleaning.
With high-pressure compressors, the original steam requirement is noticeably smaller, such that even the short-term addition of water will be smaller than during washing with water.
A prejudice regarding the removal of salt deposits by means of steam was very likely that the higher temperature at the inlet resulted in an inadmissible temperature rise at the outlet of the compressor.
However, water vapor has a greater specific heat capacity than process gas, and our tests have shown that adding some steam does in fact decrease the outlet temperature during cleaning.
For example, although the invention has been primarily described in connection with the prevention and removal of salt deposits in compressors for nitrous gas and with respect to additional sealing arrangements in which the deposit difficulties are the greatest, it is obvious that the method according to the invention can also be used in other plant areas may experience such difficulties. Indeed, the technique is generally useful for performing on other plants. at which salt deposits occur and where it is possible to create the necessary conditions for a sudden dissolution of the salt deposits by controlling temperatures and vapor pressure.