Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Reinigen von Ammoniak, wobei ein Ammoniak enthaltender Strom durch eine Adsorptionseinheit geleitet wird, um Feuchtigkeit abzuscheiden, und durch eine Membraneinheit geleitet wird, um das Ammoniak zu konzentrieren. Mehr im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren und ein solches Gerät, bei welchem der Strom, der durch Bearbeitung des Ammoniak enthaltenden Stroms in der Adsorptionseinheit und der Membraneinheit gebildet wird, teilweise kondensiert und dann teilweise auf einem Förderdruck verdampft wird, um einen druckbeaufschlagten Produktstrom zu bilden, der arm an schweren und leichten Verunreinigungen ist.

Es gibt zahlreiche industrielle Prozesse, die Ammoniak mit ultrahoher Reinheit erfordern. Typischerweise wird ein Ammoniakspeisematerial zum Erzeugen eines Produkts mit etwa 1 ppm Feuchtigkeit, schweren Verunreinigungen mit einem Pegel von etwa 0,5 ppm und leichten Verunreinigungen von etwa 0,5 ppb gereinigt. Schwere Verunreinigungen umfassen bewegliche Ionen wie beispielsweise Natrium und Kalium, Leichtmetalle wie beispielsweise Aluminium oder Kalzium, solche Schwermetalle wie Eisen, Nickel oder Chrom, und schwere Kohlenwasserstoffe. Leichte Verunreinigungen können Stickstoff und Sauerstoff umfassen. Die Reinigung des Ammoniakspeisematerials wird durch Destillation bewirkt. Jedoch haftet der Destillation das Problem an, daß sie bei niedrigem Druck durchgeführt wird und deshalb der Produktstrom rückverdichtet werden muß. Das Rückverdichten bringt die Gefahr der Verunreinigung mit Schmiermitteln und dergleichen mit sich, die in Verbindung mit dem Verdichter eingesetzt werden. Die Destillation erfordert außerdem eine beträchtliche Menge an Energiezufuhr, da sie bei niedriger Temperatur betrieben wird.

Die Erfindung beinhaltet allgemein ein Verfahren zur Reinigung eines Ammoniak enthaltenden Stroms, bei welchem Verdichter und dergleichen nach dem Reinigen des Ammoniaks nicht eingesetzt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines gereinigten druckbeaufschlagten Ammoniakstroms aus einem Ammoniak, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen enthaltenden Speisestrom vorgesehen, wobei das Verfahren das Einleiten des Speisestroms in eine Membran, die so gewählt ist, dass ein an dem Ammoniak und an der Feuchtigkeit angereicherter Durchlassstrom gebildet wird, das Bilden eines Zwischenproduktstroms durch Adsorbieren von Feuchtigkeit aus dem Durchlassstrom, das teilweise Kondensieren des Zwischenproduktstroms zum Erzeugen von flüssigem Ammoniak, das an leichten Komponenten der anderen Verunreinigung arm ist, und das Einleiten eines Stroms der Flüssigkeit auf einem Förderdruck, wodurch druckbeaufschlagter Ammoniakdampf gebildet wird, der arm an schweren Komponenten der anderen Verunreinigungen ist, und das Bilden des gereinigten druckbeaufschlagten Ammoniakstroms aus dem druckbeaufschlagten Ammoniakdampf umfasst.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Verfahren durchgeführt werden, bei welchem Feuchtigkeit vor dem Einsatz des Membransystems absorbiert werden kann. In diesem Aspekt wird die Feuchtigkeit aus dem Speisestrom adsorbiert, um einen Zwischenproduktstrom zu erzeugen, und der Zwischenproduktstrom wird in die Membran eingeleitet, um einen Durchlassstrom zu bilden, der an dem Ammoniak angereichert ist. Danach wird der Durchlassstrom teilweise kondensiert, um flüssigen Ammoniak zu erzeugen, der arm an leichten Verunreinigungen ist. Ein Strom des flüssigen Ammoniaks wird in einen Produktdruckbehälter eingeleitet und auf einen Abgabedruck teilweise verdampft, wodurch druckbeaufschlagter Ammoniak gebildet wird, der arm an schweren Verunreinigungen ist. Der gereinigte druckbeaufschlagte Ammoniakstrom wird aus dem druckbeaufschlagten Ammoniakdampf gebildet.

Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die Erfindung ein Gerät zum Erzeugen eines gereinigten druckbeaufschlagten Ammoniakstroms aus dem Ammoniak, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen enthaltenden Speisestrom. Bei diesem Gerät ist eine Membraneinheit vorgesehen. Die Membraneinheit hat mindestens eine Membran, die so ausgewählt ist, daß sie einen an Ammoniak und Feuchtigkeit angereicherten Durchlassstrom bildet. Eine Adsorptionseinheit ist vorgesehen, um Feuchtigkeit aus dem Durchlassstrom zu adsorbieren. Ein Produktkondensationsbehälter wird eingesetzt, um den Zwischenproduktstrom teilweise zu kondensieren, um flüssigen Ammoniak zu erzeugen, der arm an leichten Verunreinigungen ist. Ein Produktdruckbehälter ist mit dem Produktkondensationsbehälter verbunden, um einen Strom der Flüssigkeit aufzunehmen und die Flüssigkeit teilweise auf einen Förderdruck zu verdampfen, wodurch druckbeaufschlagter Ammoniak gebildet wird, der arm an schweren Verunreinigungen ist. Der Produktdruckbehälter hat einen Auslaß zum Bilden des gereinigten druckbeaufschlagten Ammoniakstroms aus dem druckbeaufschlagten Ammoniakdampf.

Nach einem noch weiteren Aspekt beinhaltet die Erfindung ein Gerät, bei welchem die Adsorptionseinheit zuerst die Feuchtigkeit aus dem Speisestrom adsorbiert, um einen Zwischenproduktstrom zu erzeugen. Eine Membraneinheit ist vorgesehen. Die Membraneinheit hat mindestens eine Membran und ist so gewählt, daß sie einen Durchlassstrom bildet, der an dem Ammoniak in dem Zwischenproduktstrom angereichert ist. Eine Kondensationseinheit ist zum teilweisen Kondensieren des Durchlassstroms vorgesehen, um eine Flüssigkeit zu erzeugen, die arm an leichten Verunreinigungen ist. Ein Produktdruckbehälter ist mit der Kondensationseinheit verbunden, um einen Strom der Flüssigkeit aufzunehmen und die Flüssigkeit teilweise auf einen Förderdruck zu verdampfen, wodurch ein druckbeaufschlagter Ammoniakdampf gebildet wird, der arm an schweren Verunreinigungen ist. Der Produktdruckbehälter hat einen Auslaß, um den druckbeaufschlagten Ammoniakstrom aus dem druckbeaufschlagten Ammoniakdampf zu bilden.

Die Kondensation mit nachfolgender Reinigung bildet sowohl einen Reinigungsschritt als auch einen Rückdruckbeaufschlagungsschritt ohne Verwendung eines mechanischen Verdichters und ermöglichen Kontaminierung, die dadurch eingeführt werden könnte. Hier und in den Patentansprüchen umfasst der Begriff leichte Verunreinigungen Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und leichte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan, und der Begriff schwere Verunreinigungen umfasst die Metalle und schwere Kohlenwasserstoffe.

Die DD-A-159 259 (VEB Leuna-Werke) beschreibt die Eliminierung niedrigsiedender Kohlenwasserstoffe und Wasser durch zwei Adsorptionsschritte, gefolgt durch Abscheidung hochsiedender Kohlenwasserstoffe durch fraktionelle Kondensation.

Chemical Abstracts Zugriffsnummer 123: 117586 (Xu u. a.) beschreibt die Konzentration von Ammoniak durch Abtrennen von Wasser hieraus mittels einer Membran und anschließendes Trocknen des Ammoniaks durch Absorption mit einem flüssigen Absorptionsmittel, beispielsweise Schwefelsäure, oder als Produktstrom durch Kondensation erhalten.

Die vorliegende Erfindung definiert jedoch Adsorptionsschritte und dann eine teilweise Verdampfung. Andere Verunreinigungen können ebenfalls behandelt werden.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genomen, in welchen zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Geräts zur Ausführung eines Verfahrens nach der Erfindung,

2 eine alternative Ausführungsform von 1 zum Ausführen eines Verfahrens nach der Erfindung,

3 eine alternative Ausführungsform, die sowohl auf 1 als auch auf 2 anwendbar ist.

Die Zeichnungen zeigen alternative Ausführungsformen der Erfindung. Um eine Doppelung zu vermeiden, sind Bezugszahlen für die gleichen Elemente in den verschiedenen Figuren wiederholt.

In den 1 und 2 sind ein Gerät 1 und ein Gerät 2 zum Ausführen von Verfahren gemäß der Erfindung dargestellt. Grundsätzlich wird in beiden Geräten 1 und 2 ein Speisestrom 10 aus Ammoniak durch einen Verdichter 12 verdichtet und durch einen Filter 14 gefiltert. Der Speisestrom 10 hat typischerweise einen Verunreinigungsgehalt von nicht mehr als 100 ppm an gasförmigen Verunreinigungen und außerdem bis zu etwa 100 ppm an metallischen Verunreinigungen. Ammoniak und/oder Ammoniak und Feuchtigkeit (je nach der jeweiligen Ausführungsform gemäß den 1 und 2) im Speisestrom 10 wird in einer Membraneinheit 16 konzentriert, und Feuchtigkeit wird in einer Absorptionseinheit 18 abgeschieden, um den Ammoniak zu reinigen.

Der aus den Betrieb der Membraneinheit 16 und der Absorptionseinheit 18 resultierende Strom wird teilweise in einem Produktkondensationsbehälter 20 kondensiert und wird dann in einem Produktdruckbehälter 22 teilweise auf einen Förderdruck verdampft. Die Kondensation erzeugt Ammoniakflüssigkeit, die arm an leichten Verunreinigungen ist, und die Verdampfung erzeugt Ammoniakdampf der arm an schweren und leichten Verunreinigungen ist. Die Verdampfung innerhalb eines festen Volumens des Produktdruckbehälters 22 hebt den Druck des Ammoniaks auf einen Förderdruck an ohne nachfolgende Verdichtung durch einen Verdichter und erzeugt dadurch einen Produktstrom 34.

Wie spezifisch aus 1 hervorgeht, wird der Speisestrom 10 nach dem Verdichten durch den Verdichter 12 in den Filter 14 eingeleitet, der vorzugsweise so ausgelegt ist, daß er Teilchen einer Größe oberhalb etwa 0,1 &mgr;m abscheidet. Es ist jedoch möglich, daß der Filter 14 stromauf der Pumpe 12 positioniert werden kann. Danach wird der Speisestrom 10 und ein Rezirkulationsstrom 24, der unten noch mehr im einzelnen erörtert wird, in die Membraneinheit 16 eingeleitet. Die Membraneinheit 16 ist so ausgelegt, daß sie einen Durchlassstrom 26 erzeugt, in welchem Feuchtigkeit und Ammoniak konzentriert sind, und einen zurückgehaltenen Strom 28 erzeugt, der an Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Methan und dgl. konzentriert ist.

Die Membraneinheit 16 kann aus einer oder mehreren Membranen bestehen, die beispielsweise aus einem Copolymer von Tetrafluorethylen und Perfluro-3,6-Dioxa-4-Methyl-7-Okten-Sulfonsäure gebildet sind. Vorzugsweise kann eine solche Membran aus NAFION-Polymer (Handelsmarke) hergestellt sein, die von E.I. du Pont de Nemours und Wilmington Company, Delaware, Vereinigte Staaten, erhältlich ist. Die Membraneinheit 16 kann eine einstufige oder eine bekannte mehrstufige Einheit der Bauart sein, bei welcher ein Speisematerial weiter verdichtet und rezirkuliert wird, so daß ein Durchlaß- oder Rückhaltestrom durch mehrere Kaskaden von Membranen gelangen.

Der Durchlassstrom 26 gelangt durch die Adsorptionseinheit 18, die beispielsweise so ausgelegt sein kann, daß sie gemäß einem Temperaturwechsel-Adsorptionszyklus arbeitet. In dieser Hinsicht kann die Adsorptionseinheit 18 aus mehrfachen Adsorptionsmittelbetten bestehen, die entweder Aluminiumoxid oder Zeolithe wie beispielsweise das 5A- oder 13X-Zeolith zum Abscheiden von Feuchtigkeit und etwaigen restlichem Kohlendioxid enthalten können.

Bei einem Temperaturwechsel-Adsorptionsprozeß werden Absorptionsmittelbetten regeneriert und so betrieben, daß jedes Adsorptionsmittelbett einer Adsorptionsphase unterzogen wird, in welcher das Bett zugeschaltet ist und Feuchtigkeit und restliches Kohlendioxid adsorbiert. Während ein zuvor regeneriertes Bett zugeschaltet wird, wird das gegenwärtig zugeschaltete Bett zur Regeneration abgetrennt. Obwohl nicht besonders dargestellt, aber in bekannter Weise und unter Verwendung bekannter Ventilbäume, wird das Bett während der Regeneration zuerst in die Atmosphäre von seinem Einlaß her entlüftet, um die Desorption des zuvor adsorbierten Ammoniaks einzuleiten. Danach wird das Bett mit einem Spülstrom zum Abscheiden von Ammoniak aus den Leerräumen innerhalb des Adsorptionsmittelbetts gespült. Ein heißer Spülstrom folgt als nächstes, um Feuchtigkeit auszutreiben, die zuvor durch das Adsorptionsmittel adsorbiert worden ist. Eine Produktspülung kann dann benutzt werden, um restliche Bestandteile des kalten und des heißen Spülstroms auszutreiben. Der abschließende Schritt ist das Abschließen des Bodens des Adsorptionsmittelbetts und das Rückdruckbeaufschlagen des Betts mit Produkt.

In der dargestellten Ausführungsform wird dann ein kalter Stickstoffstrom 30 in das Bett im oben erörterten Reinigungsbett eingeleitet. Dieser kalte Stickstoff wird als Spülstrom 32 zurückgewonnen. Danach wird der kalte Stickstoffstrom 30 erhitzt und als heißer Spülstrom eingeleitet. Der heiße Spülstrom treibt Feuchtigkeit aus dem Adsorptionsmittel aus und, obwohl nicht dargestellt, kann dann zu einem Reiniger geleitet werden, um etwaiges restliches Ammoniak abzuscheiden, bevor er entlüftet wird. Ein Teil des Ammoniakproduktstroms 34 kann als Produktspülstrom 36 rezirkuliert und in die Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit zum Austreiben von Stickstoff eingeleitet werden. Dies erzeugt einen Ammoniakproduktspülstrom, der auch als Spülstrom 32 zurückgewonnen wird. Diese Tätigkeit wird durch ein Ventil 38 gesteuert. Das Einlassventil zu dem regenerierten Bett wird dann geschlossen, so daß der Produktspülstrom 36 das Bett auf den Betriebsdruck rückdruckbeaufschlagt und das Bett anschließend wieder zugeschaltet werden kann.

Ein Ventil 40 kann geöffnet werden, um den Spülstrom 32 in einen Spülstromkondensationsbehälter 42 einzuleiten. Der Spülstromkondensationsbehälter 42 kann ein Behälter oder Gefäß sein, das in einem Kohlendioxidbad oder einer anderen Niedertemperaturquelle sitzt. Der Spülstrom 32 verflüssigt sich teilweise innerhalb des Spülstromkondensationsbehälter 42 zum Abscheiden von Stickstoff als Dampf. Der Rest aus flüssigem Ammoniak (mit der Bezugszahl 44 bezeichnet), der im Spülstromkondensationsbehälter 42 enthalten ist, ist auch arm an leichten Komponenten der Verunreinigungen. Ein flüssiger Strom 46, der aus solcher restlicher Flüssigkeit gebildet wird, wird dann unter der Steuerung eines Ventils 48 in die Produktkondensationskammer 20 eingeleitet, die wiederum ein Behälter oder ein Druckgefäß sein kann, das innerhalb eines Kohlendioxidbads oder einer anderen geeigneten Niedertemperaturquelle angeordnet ist. Ein Zwischenproduktstrom 19 wird in den Produktkondensationsbehälter 20 zusammen mit dem flüssigen Ammoniakstrom 46 eingeleitet. Flüssiger Ammoniak wird dann als Flüssigkeitsstrom 50, gesteuert durch ein Ventil 52, in den Produktdruckbeaufschlagungsbehälter 22 eingeleitet, wo er teilweise verdampft, um Ammoniakdampf zu ergeben. Ein Teil des Ammoniakdampfes kann als Rezirkulationsstrom 54 (durch Öffnen eines Ventils 56) zurück in den Kondensationsbehälter 20 zur weiteren Reinigung durch teilweise Kondensation rezirkuliert werden. Der Rezirkulationsstrom 24 (vorstehend erwähnt) besteht aus Ammoniakflüssigkeit, die innerhalb des Produktverdampfungsbehälters 22 gebildet worden ist. Beim Öffnen eines Ventils 58 wird der Rezirkulationsstrom 24 durch einen Verdampfer 60 verdampft und dann zur Membraneinheit 16 zur weiteren Reinigung rezirkuliert.

Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 2 wird der Zwischenproduktstrom 19 aus der Adsorptionseinheit 18 erzeugt und dessen Feuchtigkeit ist bis herab auf Pegel von etwa unterhalb 1 ppm abgeschieden worden. Zurückgewonnener flüssiger Ammoniak 44 aus dem Spülstrom 32 kann in einem Verdampfer 47 verdampft und mit dem Zwischenproduktstrom 19 kombiniert werden. Der kombinierte Strom wird dann in die Membraneinheit 16 eingeleitet. Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Rückgewinnung von Ammoniak aus dem Spülstrom 32 optionell. Der resultierende Durchlassstrom 26 wird durch Öffnen eines Ventils 62 in den Kondensationsbehälter 20 eingeleitet. Obwohl nicht dargestellt, kann ein Rezirkulationsstrom, beispielsweise der in 1 dargestellte Rezirkulationsstrom 24, zurück zur Membraneinheit 16 rezirkuliert werden. Jedoch ist die Verwendung eines Rezirkulationsstroms für beide hier beschriebenen Ausführungsformen optionell. Der Produktspülstrom 34 kann entweder vom Endprodukt 34 (wie dargestellt) oder vom Zwischenproduktstrom 19 kommen. In allen Fällen können ein oder mehrere Produkt- und Speisematerialtanks für die Speicherung von Speisematerial und Produkt während des Reinigungsvorgangs eingesetzt werden.

Mit zusätzlicher Bezugnahme auf 3 kann die in 2 (oder in 1) gezeigte Ausführungsform durch Vorsehen eines Ventils 66 modifiziert werden. Das Ventil 66 kann so geöffnet werden, daß ein Flüssigkeitsstrom 64 zum Produktkondensationsbehälter 20 zurück rezirkuliert oder zu einem Ablauf geleitet werden kann. Die Ventils 68 und 70 steuern die Strömungsrichtung für solche Zwecke. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt darin, daß die rezirkulierte Flüssigkeit teilweise kondensiert und dann teilweise wieder verdampft, um die Produktreinheit zu steigern.

Bei allen oben erörterten Ausführungsformen kann ein Packungsmaterial in dem Produktkondensationsbehäletr 20 und/oder im Produktdruckbehälter 22 installiert sein, um die Reinigungswirkung zu erhöhen. Ein weiter Punkt liegt darin, daß der Druckerzeugungsmechanismus auch dazu benutzt werden kann, Speiseverdichter wie beispielsweise den Verdichter 12 zu ersetzen, um einen Speisestrom mit dem erforderlichen Druck für die Druckwechseladsorption oder Membranbetrieb zu erzeugen.