WO1993008121A1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON HYDROXYLAMIN AUS NOx ENTHALTENDEN ABGASEN - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON HYDROXYLAMIN AUS NOx ENTHALTENDEN ABGASEN Download PDF

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WO1993008121A1
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Daniel Van Velzen
Heinrich Langenkamp
Dimosthenis Papameletiou
Havard Nymoen
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European Atomic Energy Community Euratom
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/54—Nitrogen compounds
    • B01D53/56—Nitrogen oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082—Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/14—Hydroxylamine; Salts thereof
    • C01B21/1409—Preparation
    • C01B21/1418—Preparation by catalytic reduction of nitrogen oxides or nitrates with hydrogen

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of hydroxylamine from NO z and optionally O 2 -containing exhaust gases by simultaneous denitrification of the exhaust gases and synthesis of hydroxylamine by catalytic reduction of NO with hydrogen, and an apparatus for carrying out this process.
  • the present invention it is possible to combine the denitrification of exhaust gases, which is required by law for environmental reasons in many countries, with the industrial production of hydroxylamine, which is a valuable intermediate for the production of nylon-6.
  • the most commonly used denitrification process today is denitrification by selective catalytic reduction (SCR), in which the nitrogen oxides NO x contained in the exhaust gases (including various nitrogen oxides, especially NO, possibly mixed with NO 2 ) are catalytically reduced to N 2 and H 2 O by reaction with ammonia (NH 3 ). This reaction usually takes place at a temperature of 300 to 400 ° C. Although there are some other alternative industrial denitrification processes, none of these processes convert the undesirable nitrogen oxides into a technically usable product.
  • SCR selective catalytic reduction
  • Hydroxylamine is used to produce cyclohexanone oxime from cyclohexanone, the resulting cyclohexanone oxime being converted into caprolactam by Beckmann rearrangement, which can be polymerized to a polyamide, namely nylon-6, an extremely valuable plastic.
  • IT-PS 1152229 proposes using process exhaust gases containing NO x and SO 2 as starting material.
  • this method is limited to the use of relatively high concentrations of NO x on the order of 1%. This means that only exhaust gases from low-pressure nitric acid productions can be used to carry out this process.
  • US Pat. No. 4,115,523 discloses a process for the preparation of hydroxylamine from NO and H 2 S from industrial exhaust gases.
  • high concentrations of NOx of more than 10% by volume are also required in this process, since the hydroxylamine synthesis only proceeds satisfactorily at such concentrations.
  • the object of the invention was therefore to find a way to synthesize hydroxylamine from exhaust gases which are produced anyway, which enables the large-scale and economical production of hydroxylamine as a valuable intermediate for the synthesis of nylon-6. It has now been found that this object can be achieved according to the invention in that the denitrification of NO x and possibly oxygen-containing exhaust gases, which is necessary anyway for reasons of environmental protection, with the catalytic reduction of the NO thereby obtained by means of hydrogen in the context of an industrial scale Overall procedure is combined.
  • the denitrification of the NO x and possibly oxygen-containing exhaust gases is carried out by absorbing NO x in an aqueous fur EDTA solution at a relatively low temperature and the complex-bound NO from the aqueous fur (NO) EDTA solution is desorbed and concentrated at elevated temperature by steam stripping with the introduction of electrolytically generated hydrogen, so that the gas mixture obtained after removal of the water vapor by condensation NO and H 2 in the ratio of about 35 vol. Required for the catalytic synthesis .-% NO to about 65 vol .-% H 2 contains.
  • This gas mixture is directly suitable as a feed gas for the large-scale production of hydroxylamine by catalytic reduction.
  • the invention relates to a process for the preparation of hydroxylamine from NO x and optionally O 2 -containing exhaust gases by combining the denitrification of the NO x and optionally O 2 -containing exhaust gases with the synthesis of hydroxylamine by catalytic reduction of NO with hydrogen, which is characterized in that that it includes the following stages:
  • Fur EDTA is absorbed at a relatively low temperature to form a FeII (NO) -EDTA complex dissolved in the aqueous solution, which together with the aqueous solution containing it is drawn off as a bottom product from the absorber and via a heat exchanger to increase its temperature as a top product is introduced into a desorber while the exhaust gas freed from NO x is withdrawn overhead from the absorber, (b) from the aqueous introduced into the head of the desorber
  • the NO x obtained after desorption can be directly catalytically reduced to hydroxylamine after the concentration thereof in admixture with hydrogen supplied in suitable amounts, without the need to use any valuable starting materials, such as ammonia and the like.
  • the overall process according to the invention can be designed extremely economically.
  • the process according to the invention can also be carried out successfully if the exhaust gases used as the starting material contain further oxidizing constituents, such as oxygen and / or NO 2 , which cause at least partial oxidation of the aqueous fur EDTA solution to form an aqueous FeIII-EDTA solution cause.
  • the partially oxidized aqueous absorption solution is regenerated electrolytically with the simultaneous formation of hydrogen, which is controlled so that the hydrogen is present in the ratio suitable for the large-scale production of hydroxylamine to the desorbed NO.
  • very low concentrations of NO x of even less than 500 mg / m3 can be concentrated for the effective synthesis of hydroxylamine.
  • the method according to the invention offers numerous advantages over the previously known comparable methods of the prior art.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • the process according to the invention is also applicable to exhaust gases which contain NO 2 .
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • This environmentally harmful component is produced in considerable quantities and the exhaust gases contain considerable concentrations of NO 2 .
  • the typical NO x concentrations in the exhaust gas leaving the last absorber of a nitric acid production plant can be up to 4000 ppm, the NO 2 content being able to make up 50% of the total concentration of NOx.
  • NO 2 often lead to problems which are manifested in the fact that a brown NO 2 flag can be seen above the chimney of a nitric acid production plant.
  • the total NO x content in the exhaust gas must be reduced to 200 ppm before being released into the atmosphere. It is generally accepted that the NO 2 content must be reduced to less than 75 to 100 ppm in order to produce a colorless plume of smoke.
  • the nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in the exhaust gas is removed during the absorption complex formation process converted the following reaction equation into nitrogen oxide NO: NO 2 + 3 fur-EDTA + 2 H + ⁇ FeII (NO) -EDTA + 2 FeIII-EDTA + H 2 O
  • the nitrogen dioxide (NO 2 ) is dissolved in the washing liquid and then through fur Reduced nitrogen oxide (NO), which forms the corresponding nitrosyl complex FeII (NO) -EDTA.
  • the NO can be released in a high concentration from this complex.
  • the resulting Felll EDTA is reduced to active Fell EDTA in an electrolyser.
  • the absorption solution is brought to a temperature of 20 to 40 ° C., preferably 30 ° C., before being introduced into the absorber. cooled down.
  • FeII (NO) -EDTA complex in the enriched absorption solution is, for example, 12.5 mmol / l, ie the degree of conversion is 0.25.
  • the desorption of NO from the FeII (NO) -EDTA complex in the desorber determined by the values of the equilibrium constant (Kp) at higher temperatures, which is defined by the following equation:
  • Kp is 11.3, i.e. the maximum achievable partial pressure of NO during desorption is limited to a value of less than 0.05 bar.
  • a condensable inert gas e.g. Water vapor
  • high NO concentrations can be achieved after removal of the inert gas by condensation. This method of water vapor stripping enables high NO concentrations to be achieved after desorption, which are extremely advantageous for the practical synthesis of hydroxylamine.
  • the invention further relates to a device for
  • the complex-bound NO is freed by desorption at elevated temperature, after which the gas mixture formed in the absorber from NO, H 2 and water vapor is drawn off overhead and - after removal of the water vapor in a condenser and return of the condensed water vapor to a reboiler in which the water vapor supplied to the desorber is generated - is fed directly to the catalytic hydroxylamine synthesis , while the aqueous solution of fur-EDTA drawn off as bottom product from the desorber is fed to an electrolyser, and
  • An electrolyser consisting of anode and cathode compartments, in the cathode compartment of which the aqueous fur EDTA solution drawn off from the desorber is introduced to reduce any furl EDTA contained therein to fur EDTA with simultaneous formation of hydrogen, which is in the lower section of the desorber is introduced while the regenerated aqueous fur EDTA solution is withdrawn from elevated temperature for step-like cooling from the cathode compartment and is returned to the heat exchanger and from there via the cooler to the absorber, while the oxygen formed in the anode compartment is withdrawn.
  • Preferred configurations of the device according to the invention result from subclaims 10 to 12.
  • Fig. 1 shows the schematic flow of the invention
  • Fig. 2 shows the course of the NO and NO 2 concentrations during the implementation of the inventive method according to Example 2 described below in a schematic representation.
  • the absorber (2) used consists of a filled column with a diameter of 1.4 m.
  • the exhaust gas stream (1) is introduced into the absorber (2) at the bottom and contacted in countercurrent with the reactive absorption solution introduced at the top of the absorber (2).
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • the pH of the solution is kept constant between 2.8 and 3.0.
  • the solution is introduced at a flow rate of 14 m 3 / h at the head of the absorber (2) through a suitable power distribution system.
  • the NO x content of the exhaust gas decreases during the passage through the absorber (2) from 500 to 100 ppm, ie that from the
  • Absorber (2) removed cleaned exhaust gas (3) contains only 100 ppm NO x .
  • the absorption liquid introduced into the head of the absorber (2) is free of NO, while the concentration of the enriched solution of FeII (NO) -EDTA complex obtained at the bottom of the absorber (2) is 12.5 mmol / l, ie the degree the conversion is 0.25.
  • the enriched extraction solution After the enriched extraction solution has been drawn off from the absorber (2), it is introduced through the line (4) into the bottom of the heat exchanger (5). It is preferably a liquid-liquid heat exchanger which serves to bring the temperature of the enriched absorption solution from 35 ° C to a temperature as close as possible is at the boiling point of the solution.
  • the hot, NO-free absorption solution is cooled down in this heat exchanger (5) before it is returned to the absorber (2) to the lower temperature of the absorber (2).
  • This operation can preferably be performed in a classic jacket and tube heat exchanger in which the cool liquid flows through the jacket while the hot liquid flows through the tubes.
  • the temperature difference ( ⁇ T) between the hot and the cool side of the heat exchanger (5) is advantageously 5 to 15 ° C, preferably 10 ° C.
  • the heat transfer is considerable in the present case, because 14 t / h of an aqueous solution must be heated from 35 to 90 ° C. That means the heat transfer rate is 1060 kW. In order to achieve this heat transfer rate, a heat exchanger surface of approximately 120 m 2 is required.
  • the cool, NO-depleted solution leaves the heat exchanger at a temperature of 45 ° C.
  • This liquid flow must be cooled down further to 30 ° C.
  • This cooling process is carried out in a cooler (13), which is preferably a second heat exchanger.
  • the cooler side of this unit is charged with cooling water of almost room temperature.
  • the heat transfer rate is 240 kW
  • the temperature difference ⁇ T is less than the temperature difference used in the main heat exchanger (5), and it can be in the order of 3 to 8 ° C, preferably 5 ° C.
  • the heat exchange surface area required in the cooler (13) is therefore only about 50 m 2 .
  • the absorption solution enriched in NO in the heat exchanger (5), heated to 90 ° C., is introduced through the line (6) into the head of a desorber (7).
  • the fur-EDTA complex is regenerated in the desorber (7) and the complex-bound NO is released in concentrated form.
  • the Desorber (7) preferably consists of a filled column. The diameter of the column can be much smaller than that of the absorber (2) and it can be, for example, 0.3 m.
  • the absorption solution enriched in NO which has been heated to, for example, 90 ° C. when passing through the liquid / liquid heat exchanger (5), is in the desorber (7) in countercurrent to that through the line (10) in the lower section of the Desorber (7) introduced with a flow rate of, for example, 7.2 Nm 3 / h of hydrogen, which is generated in an electrolyzer (9).
  • water vapor is introduced through the line (20) into the lower section of the desorber (7).
  • the water vapor is generated in a reboiler (19).
  • the volumetric flow rate of the water vapor must be carefully controlled and in the present case it must not be less than 195 Nm 3 / h, corresponding to 160 kg / h.
  • This gas mixture can be used directly for the large-scale production of hydroxylamine by catalytic reduction of nitrogen oxide with hydrogen according to the BASF method, since most industrial exhaust gases contain 3 to 5% by volume of oxygen contained, then occurs when the Fell-EDTA complex in the absorber (2) comes into contact with this oxygen-containing exhaust gas, an undesirable oxidation of Fell-EDTA to Felll-EDTA. It is therefore essential to reduce this oxidized complex before it is returned to the absorber (2) to the fur-EDTA complex. This reduction is preferably carried out by electrolytic cathodic reduction.
  • the NO absorption-free aqueous absorption solution drawn off at the bottom of the desorber (7) is therefore expedient through the line (8) into the cathode compartment of an electrolysis cell
  • Electrode (9) Electrode (9) introduced. It is advantageous to carry out the electrolysis at a higher temperature, since this can keep the voltage of the electrolysis cell lower. For this reason, the electrolytic cell, i.e. the electrolyser (9), arranged between the bottom of the desorber (7) and the hot side of the heat exchanger (5).
  • the rate of oxidation of the fur-EDTA complex in the absorber (2) can be estimated as follows: Laboratory tests show that the oxidation rate is about 10% / h. In the present example, this corresponds to a Felll-EDTA production rate of 70 mol / h. A current of about 2 kA is therefore required for the electrolytic reduction of this liquid flow in the electrolyser (9).
  • the hydrogen required for the production of the hydroxylamine / synthesis gas mixture in the desorber (7) is also formed in the electrolyser (9). Since the NO removal rate from the aqueous absorbent solution in the desorber (7) 175 mol / h in the present example (3.9 Nm 3 / h) was, this means that for the preparation of 65 vol .-% H 2/35 Vol .-% NO mixture 323 mol / h (7.2 Nm 3 / h) of hydrogen must be generated. The current required for this hydrogen formation is (at a current efficiency of 90%) 20 kA. The total capacity of the electrolytic cell (9) is thus 22 kA.
  • the electrode surface in the electrolyzer (9) must be 11 m 2 .
  • An electrolytic cell divided into anode compartment and cathode compartment must be used, which contains a membrane or a diaphragm made of a suitable material as a separating element.
  • oxygen is formed from the OH ⁇ ions in a total amount of 4.1 Nm 3 / h. This oxygen is withdrawn from the anode compartment of the electrolyzer (9).
  • the energy consumption of the electrolytic cell is about 66 kW, resulting from a current of 22 kA and a cell voltage of 3 V.
  • Example 2 A 300 ml wash bottle contains 100 ml of a liquid containing fur EDTA in a concentration of 60 mmol / l.
  • the initial pH of the solution is 2.54, the temperature is 21 ° C.
  • a gas flow of 47 l / h is passed through the solution.
  • the gas consists of nitrogen with 170 ppm NO 2 , 60 ppm NO and 3 vol .-% oxygen.
  • the total NO x content of the gas leaving the wash bottle is continuously monitored. After a very short period of time, the NO x concentration at the outlet drops to a value close to 0. The flow is maintained for 30 minutes, the NO x content of the escaping gas remains close to 0. Then the gas flow is stopped.
  • the wash bottle is then placed in an oil bath at 100 ° C. and 471 / h of nitrogen (which is free of nitrogen oxides) are passed through the liquid contained in the wash bottle. headed.
  • the escaping gas indicates a very high NO peak with a maximum concentration of 1200 ppm. No NO 2 could be detected.
  • the integration of the peak obtained shows that the total amount of NO released corresponded to the total amount of NO + NO 2 absorbed.
  • the pH of the solution rose from 2.54 to 2.76 during the experiment.
  • the course of the NO and NO 2 concentrations during this experiment in the outlet gas is shown schematically in FIG. 2 of the accompanying drawings.
  • a liquid containing 60 mmol / l fur EDTA was introduced into the head into a laboratory sieve plate column with a height of 50 cm and an inner diameter of 3 cm.
  • a gas flowing from bottom to top was introduced at a constant rate of 60 l / h.
  • the gas consisted of nitrogen with 3% by volume oxygen and 1000 ppm nitrogen oxides.
  • the NO 2 content was 300 ppm, the NO content was 700 ppm.
  • the flow rate of the liquid was kept at 1 l / h.
  • the gas emerging from the column was continuously monitored for its NO x content.
  • the escaping gas was free of NO x . All nitrogen oxides had been absorbed.
  • the determination of the content of reducible nitrogen in the liquid resulted in a concentration of 2.3 mmol / l.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxylamin aus NOx enthaltenden Abgasen, bei dem die Entstickung der NOx enthaltenden Abgase durch Absorption in einer wäßrigen FeII-EDTA-Lösung und Desorption von NA aus der dabei erhaltenen FeII(NO)-EDTA-Lösung durch Wasserdampf-Strippen unter Zufuhr von Wasserstoff unter Gewinnung eines NO/H2-Gasgemisches kombiniert wird mit der Synthese von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion von NO mit Wasserstoff sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON HYDROXYLAMIN AUS NOx ENTHALTENDEN ABGASEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxylamin aus NOz und gegebenenfalls O2 enthaltenden Abgasen durch gleichzeitiges Entsticken der Abgase und Synthese von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion von NO mit Wasserstoff, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Entstickung von Abgasen, die aus Gründen des Umweltschutzes in vielen Ländern gesetzlich vorgeschrieben ist, mit der großtechnischen Produktion von Hydroxylamin, die ein wertvolles Zwischenprodukt für die Herstellung von Nylon-6 darstellt, zu kombinieren.
Die Entstickung von Abgasen, insbesondere solchen, wie sie in großtechnischen Verbrennungsanlagen, Kohle- und Erdöl-Kraft-werken sowie bei der Salpetersäureherstellung auftreten, ist aus Gründen des Umweltschutzes heute von beträchtlicher Bedeutung und unterliegt in zahlreichen Ländern strengen gesetzlichen Regelungen. So schreiben beispielsweise die EG-Richtlinien vor, daß der Gehalt an Stickoxiden in den Rauchgasen von großtechnischen Kraftwerken sowie in industriellen Abgasen 200 bis 400 mg/m3 nicht übersteigen dürfen. Diese niedrigen Grenz-werte können durch geeignete Maßnahmen während des Verbrennungsprozesses selbst, sogenannte primäre Maßnahmen, allein nicht eingehalten werden. Es ist daher die Anwendung spezieller Verfahren zur Entfernung der unerwünschten Stickoxide in sogenannten Entstickungsverfahren erforderlich, um diesen hohen Anforderungen zu genügen. Das heute am häufigsten angewendete Entstickungsverfahren ist die Entstickung durch selektive katalytische Reduktion (SCR), bei der die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide NOx (darunter sind hier verschiedene Stickstoffoxide, insbesondere NO, gegebenenfalls im Gemisch mit NO2, zu verstehen) katalytisch reduziert werden zu N2 und H2O durch Umsetzung mit Ammoniak (NH3). Diese Reaktion läuft in der Regel bei einer Temperatur von 300 bis 400°C ab. Es gibt zwar auch einige andere alternative industrielle Entstickungsverfahren, bei keinem dieser Verfahren werden jedoch die unerwünschten Stickoxide in ein technisch verwertbares Produkt umgewandelt.
Ein Versuch, ein verwertbares Produkt, nämlich NO-Reichgas, bei der Abgasreinigung zu gewinnen, ist in der DE-PS 3 406 085 beschrieben. Dort wird ein Verfahren zur Entstickung von NOx enthaltenden Abgasen durch Absorption der Stickoxide NOx in wäßrigen Lösungen von Eisen(II)-Salzen bei pH 0 bis 1 angegeben. Da jedoch bekannt ist, daß die Löslichkeit von NOx in einer solchen Lösung extrem gering ist, ist dieses Verfahren für die großtechnische Entstickung zu wenig wirksam.
Es sind auch bereits andere Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen gleichzeitig SO2 und NOx aus sie enthaltenden Abgasen entfernt werden oder andere Absorbentien, wie Mg(OH)2, Na2SO3, Citrate und dgl., als Absorptionsmittel verwendet werden (vgl. H. Hasui und H. Omichi, "The Mitsui Wet Process for SO2 und NOx Removal", Nenryo Kyokai-Shi 55 (1979) 4, 264-269, E. Sada, H. Kumazawa, I. Kudo und T. Kondo, "Ind. Eng. Process des. Dev.", 20 (1981) 3, 46-49, E. Sada, H. Kumazawa, Y. Sawada und T.
Kondo, "Ind. Eng. Process Des. Dev.", 21 (1982) 4, 771-774, und W. Weisweiler, B. Retzlaff und L. Raible", Chem. Eng.
Process", 18 (1984) 85-92). Bei der Verwendung solcher Absorbentien wird zwar das chemi sche Gleichgewicht auf die gewünschte Seite verschoben, dabei tritt jedoch gleichzeitig eine unerwünschte Oxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) auf aufgrund der in allen Abgasen anzutreffenden Sauerstoffgehalte, wodurch ihr Absorptionsvermögen stark vermindert wird. Außerdem bilden sich Sulfate, deren Entfernung Probleme bereitet. Üblicherweise setzt man Ätzkalk zu und erhält durch Ausfällung Kalium-Sulfat. Dabei geht jedoch der Fe(EDTA) Komplex verloren. Andererseits ist Hydroxylamin (NH2OH) anerkanntermaßen ein wertvolles Zwischenprodukt für die Synthese von Nylon-6. Hydroxylamin wird verwendet zur Herstellung von Cyclohexanonoxim aus Cyclohexanon, wobei das dabei entstehende Cyclohexanonoxim durch Beckmann-Umlagerung in Caprolactam überführt wird, das zu einem Polyamid, nämlich Nylon-6, einem außerordentlich wertvollen Kunststoff, polymerisiert werden kann.
Man ist daher seit langem bestrebt, das als Zwischenprodukt für die Herstellung von Nylon-6 erforderliche Hydroxylamin möglichst wirtschaftlich in großtechnischem Maßstab herzustellen. Eines der bekanntesten Syntheseverfahren ist das sogenannte Raschig-Verfahren, das auf der Reduktion von Ammoniumnitrat mit einer Bisulfit-Lösung und/Schwefeldioxid basiert. Ein anderes bekanntes Syntheseverfahren ist das sogenannte BASF-Verfahren, bei dem Stickoxide NO mit gasförmigem Wasserstoff direkt zu Hydroxylamin reduziert werden (vgl. DE-PS 1 177 118 und K. Jockers, "Nitrogen" Nr. 50, November/Dezember 1967, 27-30). Dabei reagiert ein Gemisch aus NO und H2 in einem wäßrigen sauren Medium in Gegenwart eines aufgeschlämmten Platin- oder anderen Edelmetall-Katalysators. Zur Durchführung dieses BASF-Verfahrens sind Chemikalien von Industrie-Qualität erforderlich und das als Ausgangsmaterial eingesetzte NO muß in situ durch Oxidation von Ammoniak hergestellt werden. Die Ausnutzung von ohnehin anfallenden, NOx enthaltenden Abgasen ist nach den Angaben in diesen Druck- Schriften nicht möglich.
Es wurden auch bereits weitere Versuche unternommen, um die Synthese von Hydroxylamin aus Abgasen zu ermöglichen. So wird beispielsweise in der IT-PS 1152229 vorgeschlagen, NOx und SO2 enthaltende Prozeß-Abgase als Ausgangsmaterial einzusetzen. Dieses Verfahren ist jedoch auf die Verwendung von verhältnismäßig hohen Konzentrationen an NOx in der Größenordnung von 1 % beschränkt. Das heißt, zur Durchführung dieses Verfahrens können nur Abgase aus Niederdruck-Salpetersäure-Produktionen eingesetzt werden.
In der US-PS 4115523 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxylamin aus NO und H2S aus Industrieabgasen bekannt. Aber auch bei diesem Verfahren sind hohe Konzentrationen an NOx von mehr als 10 Vol.-% erforderlich, da nur bei solchen Konzentrationen die Hydroxylaminsynthese befriedigend abläuft.
Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Weg zur Synthese von Hydroxylamin aus ohnehin anfallenden Abgasen zu finden, welche die großtechnische und wirtschaftliche Herstellung von Hydroxylamin als wertvolles Zwischenprodukt für die Synthese von Nylon-6 ermöglicht. Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß die Entstickung von NOx sowie gegebenenfalls Sauerstoff enthaltenden Abgasen, die aus Gründen des Umweltschutzes ohnehin erforderlich ist, mit der katalytischen Reduktion des dabei gewonnenen NO mittels WasserStoff im Rahmen eines großtechnisch durchführbaren Gesamtverfahrens kombiniert wird. Wesentlich ist dabei, daß die Entstickung der NOx sowie gegebenenfalls Sauerstoff enthaltenden Abgase durch Absorption von NOx in einer wäßrigen Fell-EDTA╌Lösung bei verhältnismäßig niedriger Temperatur durchgeführt wird und das komplex gebundene NO aus der wäßrigen Fell(NO)╌ EDTA-Lösung bei erhöhter Temperatur durch Wasserdampf-Strippen unter Einleitung von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff desorbiert und konzentriert wird, so daß das dabei erhaltene Gasgemisch nach der Entfernung des Wasserdampfes durch Kondensation NO und H2 in dem für die katalytische Synthese erforderlichen Verhältnis von etwa 35 Vol.-% NO zu etwa 65 Vol.-% H2 enthält. Dieses Gasgemisch ist direkt geeignet als Beschikkungsgas für die großtechnische Herstellung von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxylamin aus NOx und gegebenenfalls O2 enthaltenden Abgasen durch Kombinieren der Entstickung der NOx sowie gegebenenfalls O2 enthaltenden Abgase mit der Synthese von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion von NO mit Wasserstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
(a) ein NOx enthaltendes Abgas wird in den unteren Abschnitt eines Absorbers eingeleitet, in dem das in dem Abgas enthaltende NOx im Gegenstromkontakt mit einer in den Kopf des Absorbers eingeführten wäßrigen Lösung von
Fell-EDTA bei verhältnismäßig niedriger Temperatur absorbiert wird unter Bildung eines in der wäßrigen Lösung gelösten FeII(NO)-EDTA-Komplexes, der zusammen mit der ihn enthaltenden wäßrigen Lösung als Bodenprodukt aus dem Absorber abgezogen und über einen Wärmeaustauscher zur Erhöhung seiner Temperatur als Kopfprodukt in einen Desorber eingeführt wird, während das von NOx befreite Abgas überkopf aus dem Absorber abgezogen wird, (b) aus der in den Kopf des Desorbers eingeführten wäßrigen
Lösung des FeII(NO)-EDTA-Komplexes mit erhöhter Temperatur wird das NO im Gegenstromkontakt mit in den unteren Abschnitt des Desorbers aus einem Reboiler eingeführtem Wasserdampf und aus einem Elektrolysator eingeführtem Wasserstoff desorbiert und die dabei erhaltene, den ge lösten Fell-EDTA-Komplex enthaltende wäßrige Lösung wird als Bodenprodukt aus dem Desorber abgezogen und über einen Elektrolysator zur Reduktion von eventuell darin enthaltenem Felll-EDTA zu Fell-EDTA und.über einen Wärmeaustauscher sowie einen Kühler zur stufenförmigen Herabsetzung seiner Temperatur in den oberen Abschnitt des Absorbers im Kreislauf zurückgeführt, und
(c) das aus dem Desorber überkopf abgezogene Gasgemisch aus NO, H2 und Wasserdampf wird nach der Entfernung des Wasserdampfes in einem Kondensator und Rückführung des kondensierten Wasserdampfes in den Reboiler der direkten katalytischen Synthese von Hydroxylamin zugeführt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf überraschend einfache und wirtschaftliche Weise möglich, NOx sowie gegebenenfalls Sauerstoff enthaltende Abgase wirksam zu entsticken durch Absorption und komplexe Bindung des NOx in einer wäßrigen Fell-EDTA-Lösung, ohne daß eine Reduktion zu N2 erfolgt wie bei den meisten bekannten Entstickungsverfahren. Andererseits kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das nach der Desorption gewonnene NOx nach der Konzentration desselben im Gemisch mit in geeigneten Mengen zugeführtem Wasserstoff direkt katalytisch zu Hydroxylamin reduziert werden, ohne daß irgendwelche wertvollen Ausgangsmaterialien, wie Ammoniak und dgl., eingesetzt werden müssen. Dadurch läßt sich das erfindungsgemäße Gesamtverfahren außerordentlich wirtschaftlich gestalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dann mit Erfolg durchführbar, wenn in den als Ausgangsmaterial eingesetzten Abgasen weitere oxidierende Bestandteile wie Sauerstoff und/oder NO2 enthalten sind, die eine mindestens partielle Oxidation der wäßrigen Fell-EDTA-Lösung zu einer wäßrigen FeIII-EDTA-Lösung bewirken. Dem wird erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen, daß die partiell oxidierte wäßrige Absorptionslösung auf elektrolytischem Wege regeneriert wird unter gleichzeitiger Bildung von Wasserstoff, die so gesteuert wird, daß der Wasserstoff in dem für die großtechnische Produktion von Hydroxylamin geeigneten Verhältnis zu dem desorbierten NO vorliegt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich so auch sehr niedrige Konzentrationen an NOx von sogar unter 500 mg/m3 aufkonzentrieren zur wirksamen Synthese von Hydroxylamin. Wie oben angegeben, bietet das erfindungsgemäße Verfahren zahlreiche Vorteile gegenüber den bisher bekannten vergleichbaren Verfahren des Standes der Technik. Da einige Typen von Abgasen, die entstickt werden müssen, neben 3 bis 5 Vol.-% Sauerstoff beträchtliche Mengen an Stickstoffdioxid (NO2) enthalten, ist es sehr wesentlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Abgase anwendbar ist, die NO2 enthalten. Insbesondere bei der Herstellung von Salpetersäure entsteht dieser umweltschädliche Bestandteil in beträchtlicher Menge und die Abgase enthalten beträchtliche Konzentrationen an NO2. Die typischen NOx-Konzentrationen in dem den letzten Absorber einer Salpetersäure-Herstellungsanlage verlassenden Abgas können bis zu 4000 ppm betragen, wobei der NO2-Gehalt 50 % der Gesamtkonzentration an NOx ausmachen kann. Diese Mengen an NO2 führen häufig zu Problemen, die sich darin äußern, daß eine braune NO2-Fahne über dem Kamin einer Salpetersäure-Herstellungsanlage zu erkennen ist. Der Gesamtgehalt an NOx in dem Abgas muß vor dem Ablassen in die Atmosphäre auf 200 ppm herabgesetzt werden. Es ist allgemein anerkannt, daß der NO2-Gehalt auf weniger als 75 bis 100 ppm herabgesetzt werden muß, um eine farblose Rauchfahne zu erzeugen.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf solche Abgase wird das in dem Abgas enthaltene Stickstoffdioxid (NO2) während des Absorptions-Komplexbildungs-Prozesses nach der folgenden Reaktionsgleichung in Stickoxid NO umgewandelt: NO2 + 3 Fell-EDTA + 2 H+→ FeII(NO)-EDTA + 2 FeIII-EDTA + H2O Das Stickstoffdioxid (NO2) wird in der Waschflüssigkeit gelöst und anschließend durch Fell zu Stickoxid (NO) reduziert, das den entsprechenden Nitrosylkomplex FeII(NO)-EDTA bildet. Das NO kann in einer hohen Konzentration aus diesem Komplex freigesetzt werden. Das dabei entstandene Felll-EDTA wird in einem Elektrolysator zum aktiven Fell-EDTA reduziert. Daraus folgt, daß der Anteil an NO2, der in dem Abgas ursprünglich vorhanden ist, in NO umgewandelt wird, das in hochkonzentrierter Form außerordentlich wertvoll ist für die Herstellung des NO/H2-Gemisches für die Hydroxylamin-Synthese. Daß diese Reaktion bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens tatsächlich abläuft, ergibt sich aus den in den weiter unten folgenden Beispielen 2 und 3 beschriebenen Laborversuchen.
Da bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Absorption von NOx in dem Absorber um so wirksamer ist, je niedriger die Temperatur der Absorptionslösung ist, wird die Absorptionslösung vor der Einführung in den Absorber auf eine Temperatur von 20 bis 40ºC, vorzugsweise 30°C, abgekühlt.
Dadurch wird das Absorptionsvermögen der Absorptionsflüssigkeit gegenüber dem Arbeiten bei einer Betriebstemperatur von 50ºC mindestens um den Faktor 3,3 erhöht (bei 50ºC beträgt Kp = 287 bar-1 und bei 35°C beträgt Kp = 929 bar-1). Dabei sinkt der NO-Gehalt des eingesetzten Abgases während des Durchgangs durch den Absorber von anfänglich beispielsweise 500 ppm auf beispielsweise 100 ppm, während die Konzentration des
FeII(NO)-EDTA-Komplexes in der angereicherten Absorptionslösung beispielsweise 12,5 mMol/l beträgt, d.h. der Umwandlungsgrad beträgt 0,25. Andererseits wird die Desorption von NO aus dem FeII(NO)-EDTA-Komplex in dem Desorber bestimmt durch die Werte der Gleichgewichtskonstanten (Kp) bei höheren Temperaturen, die durch die folgende Gleichung definiert ist:
Figure imgf000011_0001
worin y den Umwandlungsgrad und p den Partialdruck von NO (in bar) bedeuten.
Bei 100ºC beträgt Kp 11,3, d.h. der maximal erzielbare Partialdruck von NO während der Desorption ist auf einen Wert von weniger als 0,05 bar beschränkt. Durch Anwendung eines kondensierbaren Inertgases, wie z.B. Wasserdampf, können jedoch nach der Entfernung des Inertgases durch Kondensation hohe NO-Konzentrationen erzielt werden. Durch diese Methode des Wasserdampf-Stripping lassen sich erfindungsgemäß hohe NO-Konzentrationen nach der Desorption erzielen, die für die praktische Synthese von Hydroxylamin außerordentlich vorteilhaft sind.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur
Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt
- einen Absorber, in dessen unteren Abschnitt das NOx sowie gegebenenfalls O2 enthaltende Abgas eingeleitet wird und aus dem überkopf das von NOx befreite Abgas abgezogen wird;
- einen Wärmeaustauscher, in dessen unteren Abschnitt die den FeII(NO)-EDTA-Komplex enthaltende wäßrige Lösung eingeführt wird zur Erhöhung ihrer Temperatur bis auf einen Wert in der Nähe ihres Siedepunktes, die dann überkopf abgezogen und in einen Desorber eingeführt wird, während die aus einem Elektrolysator abgezogene und in den Kopf des Wärmeaustauschers eingeführte erhitzte regenerierte wäßrige Fell-EDTA-Lösung nach dem Abkühlen durch Wärmeaustausch als Bodenprodukt abgezogen und über einen Kühler in den Kopf des Absorbers zurückgeführt wird;
- einen Desorber, in dessen oberen Abschnitt die erhitzte wäßrige Fell(NO)-EDTA-Komplex-Lösung eingeleitet und im GegenStromkontakt mit in den unteren Abschnitt des Desorbers eingeleitetem Wasserstoff und eingeleitetem Wasserdampf durch Desorption bei erhöhter Temperatur von dem komplex gebundenen NO befreit wird, wonach das in dem Absorber entstandene Gasgemisch aus NO, H2 und Wasserdampf überkopf abgezogen und - nach Entfernung des Wasserdampfes in einem Kondensator und Rückführung des kondensierten Wasserdampfes in einen Reboiler, in dem der dem Desorber zugeführte Wasserdampf erzeugt wird - direkt der katalytischen Hydroxylaminsythese zugeführt wird, während die als Bodenprodukt aus dem Desorber abgezogene wäßrige Lösung von Fell-EDTA einem Elektrolysator zugeführt wird, und
- einen aus Anöden- und Kathodenabteil bestehenden Elektrolysator, in dessen Kathodenabteil die aus dem Desorber abgezogene wäßrige Fell-EDTA-Lösung eingeführt wird zur Reduktion von eventuell darin enthaltenem Felll-EDTA zu Fell-EDTA unter gleichzeitiger Bildung von Wasserstoff, der in den unteren Abschnitt des Desorbers eingeführt wird, während die regenerierte wäßrige Fell-EDTA-Lösung von erhöhter Temperatur zur stufenförmigen Abkühlung aus dem Kathodenabteil abgezogen und in den Wärmeaustauscher und von dort über den Kühler in den Absorber zurückgeführt wird, während der im Anodenabteil gebildete Sauerstoff abgezogen wird. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 bis 12.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens und den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Hydroxylamin aus NOx und gegebenenfalls Sauerstoff enthaltenden Abgasen in Form eines schematischen Block- diagramms; und
Fig. 2 der Verlauf der NO- und NO2-Konzentrationen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem weiter unten beschriebenen Beispiel 2 in schematischer Darstellung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, näher erläutert. Diese Ausführungsform stellt ein typisches Beispiel für den Betrieb einer Pilot-Anlage für eine mögliche industrielle Anwendung dar. Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Beispiel 1
Bei diesem Beispiel werden 10 000 Nm3/h eines Abgases mit einem NOx-Gehalt von 500 mg/m3 behandelt. Das eingesetzte Abgas ist bereits desulfurisiert nach einem der üblichen Naß-FGD-Verfahren. Die Temperatur des eingesetzten Abgases beträgt 50°C und es enthält weniger als 100 mg/m3 SO2.
Der eingesetzte Absorber (2) besteht aus einer gefüllten Säule mit einem Durchmesser von 1,4 m. Der Abgasstrom (1) wird am Boden in den Absorber (2) eingeführt und im Gegenstrom mit der am Kopf des Absorbers (2) eingeführten reaktionsfähigen Absorptionslösung kontaktiert. Letztere besteht aus einer wäßrigen Lösung, die 50 mMol/l Fell-EDTA-Komplex enthielt (EDTA = Ethylendiamintetraessigsäure). Der pH-Wert der Lösung wird zwischen 2,8 und 3,0 konstant gehalten. Die Lösung wird mit einer Strömungsrate von 14 m3/h am Kopf des Absorbers (2) durch ein geeignetes Stromverteilersystem eingeführt.
Es ist vorteilhaft, die Absorptionsflüssigkeit vor dem Eintreten in den Absorber (2) auf 30°C abzukühlen. Dadurch wird bewirkt, daß die Betriebstemperatur von 50°C auf 35°C sinkt, wodurch die Absorptionskapazität der Flüssigkeit um den Faktor 3,3 steigt (bei 50°C gilt Kp = 287 bar-1 und bei 35°C gilt Kp = 929 bar-1).
Der NOx-Gehalt des Abgases nimmt während des Durchgangs durch den Absorber (2) von 500 auf 100 ppm ab, d.h. das aus dem
Absorber (2) abgezogene gereinigte Abgas (3) enthält nur noch 100 ppm NOx. Die in den Kopf des Absorbers (2) eingeführte Absorptionsflüssigkeit ist frei von NO, während die Konzentration der am Boden des Absorbers (2) anfallenden angereicherten Lösung von FeII(NO)-EDTA-Komplex 12,5 mMol/l beträgt, d.h. der Grad der Umwandlung beträgt 0,25. Nach dem Abziehen der angereicherten Extraktionslösung aus dem Absorber (2) wird sie durch die Leitung (4) in den Boden des Wärmeaustauschers (5) eingeführt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Flüssig-Flüssig-Wärmeaustauscher, der dazu dient, die Temperatur der angereicherten Absorptionslösung von 35ºC auf eine Temperatur zu bringen, die so nahe wie möglich beim Siedepunkt der Lösung liegt. Gleichzeitig wird in diesem Wärmeaustauscher (5) die heiße, von NO befreite Absorptionslösung vor ihrer Rückführung in den Absorber (2) auf die niedrigere Temperatur des Absorbers (2) heruntergekühlt. Diese Operation kann vorzugsweise in einem klassischen Mantel und Rohr-Wärmeaustauscher durchgeführt werden, in dem die kühle Flüssigkeit durch den Mantel fließt, während die heiße Flüssigkeit durch die Rohre fließt. Die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der heißen und der kühlen Seite des Wärmeaustauschers (5) beträgt zweckmäßig 5 bis 15°C, vorzugsweise 10°C.
Der Wärmeübergang ist im vorliegenden Falle beträchtlich, denn 14 t/h einer wäßrigen Lösung müssen von 35 auf 90°C erhitzt werden. Das heißt, die Wärmeübergangsrate beträgt 1060 kW. Um diese Wärmeübergangsrate zu erreichen, ist eine Wärmeaustauscher-Oberfläche von etwa 120 m2 erforderlich.
Die kühle, an NO verarmte Lösung verläßt den Wärmeaustauscher bei einer Temperatur von 45°C. Dieser Flüssigkeitsstrom muß bis auf 30°C weiter heruntergekühlt werden. Dieser Kühlvorgang wird in einem Kühler (13) durchgeführt, bei dem es sich vorzugsweise um einen zweiten Wärmeaustauscher handelt. Die kühlere Seite dieser Einheit wird mit Kühlwasser von nahezu Raumtemperatur beschickt. In diesem Falle beträgt die Wärmeübergangsrate 240 kW, die Temperaturdifferenz ΔT ist geringer als die in dem Haupt-Wärmeaustauscher (5) angewendete Temperaturdifferenz, und sie kann in der Größenordnung von 3 bis 8°C, vorzugsweise bei 5°C, liegen. Die in dem Kühler (13) erforderliche Wärmeaustausch-Oberfläche beträgt daher nur etwa 50 m2.
Die in dem Wärmeaustauscher (5) bis auf 90°C erhitzte, an NO angereicherte Absorptionslösung wird durch die Leitung (6) in den Kopf eines Desorbers (7) eingeführt. In dem Desorber (7) wird der Fell-EDTA-Komplex regeneriert und das komplex gebundene NO wird in konzentrierter Form freigesetzt. Auch der Desorber (7) besteht vorzugsweise aus einer gefüllten Säule. Der Durchmesser der Säule kann viel geringer sein als derjenige des Absorbers (2) und er kann beispielsweise 0,3 m betragen.
Die an NO angereicherte Absorptionslösung, die beim Durchgang durch den Flüssig/Flüssig-Wärmeaustauscher (5) auf beispielsweise 90°C erhitzt worden ist, wird in dem Desorber (7) im Gegenstrom zu dem durch die Leitung (10) in den unteren Abschnitt des Desorbers (7) mit einer Strömungsrate von z.B. 7,2 Nm3/h eingeführten Wasserstoff geführt, der in einem Elektrolysator (9) erzeugt wird. Außerdem wird Wasserdampf durch die Leitung (20) in den unteren Abschnitt des Desorbers (7) eingeführt. Der Wasserdampf wird in einem Reboiler (19) erzeugt. Die volumetrische Strömungsrate des Wasserdampfes muß sorgfältig gesteuert bzw. kontrolliert werden und sie darf im vorliegenden Fall nicht weniger als 195 Nm3/h, entsprechend 160 kg/h, betragen. Auf diese Weise entsteht am Kopf der Säule (7) ein Gasgemisch, das eine Temperatur hat, die nahe bei 100"C liegt. Der NO╌ Gehalt dieses Gasgemisches beträgt 1,9 Vol.-%, der H2-Gehalt beträgt 3,5 Vol.-% und der Rest ist Wasserdampf. Dieses Gasgemisch wird durch die Leitung (15) aus dem Kopf des Desorbers (7) abgezogen und durch einen Kondensator (16) geführt, in dem der gesamte Wasserdampf kondensiert, der durch die Leitung (18) in den Reboiler (19) zurückgeführt wird. Das durch die Leitung (17) mit einer Strömungsrate von 11,1 Nm3/h aus dem Kondensator (16) abgezogene Gasgemisch besteht zu 35 Vol.-% aus NO und zu 65 Vol.-% aus H2. Dieses Gasgemisch kann direkt für die großtechnische Herstellung von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion von Stickoxid mit Wasserstoff nach dem BASF-Verfahren verwendet werden. Da die meisten industriellen Abgase 3 bis 5 Vol.-% Sauerstoff enthalten, tritt dann, wenn der Fell-EDTA-Komplex im Absorber (2) mit diesem Sauerstoff enthaltenden Abgas in Kontakt kommt, eine unerwünschte Oxidation von Fell-EDTA zu Felll-EDTA auf. Daher ist es unerläßlich, diesen oxidierten Komplex vor der Rückführung in den Absorber (2) zum Fell-EDTA-Komplex zu reduzieren. Diese Reduktion erfolgt vorzugsweise durch elektrolytische kathodische Reduktion.
Die am Boden des Desorbers (7) abgezogene, von NO befreite wäßrige Absorptionslösung wird daher zweckmäßig durch die Leitung (8) in das Kathodenabteil einer Elektrolysezelle
(Elektrolysator (9)) eingeführt. Dabei ist es vorteilhaft, die Elektrolyse bei einer höheren Temperatur durchzuführen, da dadurch die Spannung der Elektrolysezelle niedriger gehalten werden kann. Aus diesem Grunde wird die Elektrolysezelle, d.h. der Elektrolysator (9), zwischen dem Boden des Desorbers (7) und der heißen Seite des Wärmeaustauschers (5) angeordnet.
Die Rate der Oxidation des Fell-EDTA-Komplexes im Absorber (2) kann wie folgt abgeschätzt werden: Laborversuche zeigen, daß die Oxidationsrate etwa 10 %/h beträgt. Dies entspricht im vorliegenden Beispiel einer Produktionsrate an Felll-EDTA von 70 Mol/h. Für die elektrolytische Reduktion dieses Flüssigkeitsstroms in dem Elektrolysator (9) ist daher ein Strom von etwa 2 kA erforderlich.
Der für die Herstellung des Hydroxylamin-Synthesegasgemisches in dem Desorber (7) erforderliche Wasserstoff wird ebenfalls in dem Elektrolysator (9) gebildet. Da die NO-Entfernungsrate aus der wäßrigen Absorptionslösung in dem Desorber (7) im vorliegenden Beispiel 175 Mol/h (3,9 Nm3/h) betrug, bedeutet dies, daß für die Herstellung eines 65 Vol.-% H2/35 Vol.-% NO-Gemisches 323 Mol/h (7,2 Nm3/h) Wasserstoff erzeugt werden müssen. Der für diese Wasserstoffbildung erforderliche Strom beträgt (bei einem Stromwirkungsgrad von 90 %) 20 kA. Die Gesamtkapazität der Elektrolysezelle (9) beträgt somit 22 kA. Wenn man annimmt, daß die Stromdichte 2 kA/m2 beträgt, folgt daraus, daß die Elektroden-Oberfläche in dem Elektrolysator (9) 11 m2 betragen muß. Es muß eine in Anodenabteil und Kathodenabteil unterteilte Elektrolysezelle verwendet werden, die eine Membran oder ein Diaphragma aus einem geeigneten Material als Trennelement enthält.
In dem Anodenabteil des Elektrolysators (9) wird aus den OH╌ Ionen Sauerstoff in einer Gesamtmenge von 4,1 Nm3/h gebildet. Dieser Sauerstoff wird aus dem Anodenabteil des Elektrolysators (9) abgezogen.
Der Energieverbrauch der Elektrolysezelle beträgt etwa 66 kW, resultierend aus einem Strom von 22 kA und einer Zellspannung von 3 V.
Beispiel 2 Eine 300 ml-Waschflasche enthält 100 ml einer Flüssigkeit, die Fell-EDTA in einer Konzentration von 60 mMol/1 enthält. Der anfängliche pH-Wert der Lösung beträgt 2,54, die Temperatur beträgt 21°C. Ein Gasstrom von 47 1/h wird durch die Lösung geleitet. Das Gas besteht aus Stickstoff mit 170 ppm NO2, 60 ppm NO und 3 Vol.-% Sauerstoff. Der Gesamtgehalt an NOx des die Waschflasche verlassenden Gases wird kontinuierlich überwacht. Nach einer sehr kurzen Zeitspanne fällt die NOx-Konzentration am Auslaß auf einen Wert nahe bei 0. Der Strom wird 30 min lang aufrechterhalten, der NOx-Gehalt des austretenden Gases bleibt bei einem Wert von nahe 0. Dann wird der Gasstrom gestoppt.
Die Waschflasche wird dann in ein Ölbad von 100°C gesetzt und es werden 471/h Stickstoff (der frei von Stickoxiden ist) durch die in der Waschflasche enthaltene Flüssigkeit hindurch- geleitet. Das austretende Gas zeigt einen sehr hohen NO-Peak mit einer maximalen Konzentration von 1200 ppm an. Es konnte kein NO2 nachgewiesen werden. Die Integration des dabei erhaltenen Peaks zeigt, daß die Gesamtmenge an freigesetztem NO der Gesamtmenge an absorbiertem NO + NO2 entsprach. Der pH-Wert de Lösung stieg während des Versuchs von 2,54 auf 2,76. Der Verlauf der NO- und NO2-Konzentrationen während dieses Versuchs in dem Austrittsgas ist in der Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt.
Beispiel 3
In eine Labor-Siebplatten-Säule mit einer Höhe von 50 cm und einem Innendurchmesser von 3 cm wurde eine 60 mMol/l Fell-EDTA enthaltende Flüssigkeit in den Kopf eingeleitet. Im Gegenstrom zu der Flüssigkeit wurde ein von unten nach oben strömendes Gas mit einer konstanten Rate von 60 1/h eingeführt. Das Gas bestand aus Stickstoff mit 3 Vol.-% Sauerstoff und 1000 ppm Stickstoffoxiden. Der NO2-Gehalt betrug 300 ppm, der NO-Gehalt betrug 700 ppm.
Die Strömungsrate der Flüssigkeit wurde bei 1 1/h gehalten. Das aus der Säule austretende Gas wurde auf seinen NOx-Gehalt kontinuierlich überwacht. Das austretende Gas war frei von NOx. Alle Stickstoffoxide waren absorbiert worden. Die Bestimmung des Gehaltes der Flüssigkeit an reduzierbarem Stickstoff ergab eine Konzentration von 2,3 mMol/l.
Die Verringerung des Flüssigkeitsstromes auf 500 ml/1 führte zu keiner Änderung des NOx-Gehaltes in dem austretenden Gas, der weiterhin bei einem Wert nahe bei 0 blieb. Der Gehalt der Flüssigkeit an reduzierbarem Stickstoff stieg auf 4,0 mMol/l.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von Hydroxylamin aus NOx und gegebenenfalls O2 enthaltenden Abgasen durch gleichzeitiges Entsticken der Abgase und Synthese von Hydroxylamin durch katalytische Reduktion von NO mit Wasserstoff, dadurch g e k enn z ei c hne t, daß es die folgenden Stufen umfaßt: (a) ein NOx enthaltendes Abgas wird in den unteren Abschnitt eines Absorbers eingeleitet, in dem das in dem Abgas .enthaltende NOx im Gegenstromkontakt mit einer in den Kopf des Absorbers eingeführten wäßrigen Lösung von Fell-EDTA bei verhältnismäßig niedriger Temperatur absorbiert wird unter Bildüng eines in der wäßrigen Lösung gelösten FeII(NO)-EDTA-Komplexes, der zusammen mit der ihn enthaltenden wäßrigen Lösung als Bodenprodukt aus dem Absorber abgezogen und über einen Wärmeaustauscher zur Erhöhung seiner Temperatur als Kopfprodukt in einen Desorber eingeführt wird, während das von NOx befreite Abgas überkopf aus dem Absorber abgezogen wird,
(b) aus der in den Kopf des Desorbers eingeführten wäßrigen Lösung des FeII(NO)-EDTA-Komplexes mit erhöhter Temperatur wird das NO im Gegenstromkontakt mit in den unteren Abschnitt des Desorbers aus einem Reboiler eingeführtem Wasserdampf und aus einem Elektrolysator eingeführtem Wasserstoff desorbiert und die dabei erhaltene, den gelösten Fell-EDTA-Komplex enthaltende wäßrige Lösung wird als Bodenprodukt aus dem Desorber abgezogen und über einen Elektrolysator zur Reduktion von eventuell darin enthaltenem Felll-EDTA zu FellEDTA und über einen Wärmeaustauscher sowie einen Kühler zur stufenförmigen Herabsetzung ihrer Temperatur in den oberen Abschnitt des Absorbers im Kreislauf zurückgeführt, und (c) das aus dem Desorber überkopf abgezogene Gasgemisch aus NO, H2 und Wasserdampf wird nach der Entfernung des Wasserdampfes in einem Kondensator und Rückführung des kondensierten Wasserdampfes in den Reboiler der direkten katalytischen Synthese von Hydroxylamin zugeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption des NOx aus dem Abgas in dem Absorber bei einer Temperatur von 25 bis 35°C, vorzugsweise bei 30°C, durchgeführt wird, während die Desorption des NO aus der wäßrigen FEH(NO)-EDTA-Lösung im Desorber bei einer Temperatur von 80 bis 100ºC, vorzugsweise bei 90°C, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgas in den Absorber ein desulfuriertes Abgas mit einem NOx-Gehalt von 200 bis 4 000, vorzugsweise von 500 ppm, und einem SO2-Gehalt von weniger als 100 mg SO2/m3 und einer Temperatur von 50°C eingeführt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgas verwendet wird, das NO im Gemisch mit NO2 sowie gegebenenfalls 3 bis 5 Vol.-% O2 enthält.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Desorber die wäßrige Fell(NO)-EDTA-Lösung und gasförmiger Wasserstoff sowie Wasserdampf in solchen Mengen eingeführt werden, daß das den Desorber verlassende Gasgemisch nach der Kondensation und Entfernung des Wasserdampfes etwa 35 Vol.-% NO und 65 Vol.-% H2 enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeaustauscher ein Mantel und Rohr╌Wärmeaustauscher verwendet wird, in dem die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kühlen Seite 5 bis 15°C, vorzugsweise 10°C, beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühler ein Wärmeaustauscher verwendet wird, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen wärmerer und kühlerer Seite 4 bis 8°C, vorzugsweise 5°C, beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der wäßrigen Lösung in dem Absorber zwischen 2,8 und 3,0 konstant gehalten wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt
- einen Absorber (2), in dessen unteren Abschnitt das NOx sowie gegebenenfalls O2 enthaltende Abgas (1) eingeleitet wird und aus dem überkopf das von NOx befreite Abgas (3) abgezogen wird;
- einen Wärmeaustauscher (5), in dessen unteren Abschnitt die den FeII(NO)-EDTA-Komplex enthaltende wäßrige Lösung eingeführt wird zur Erhöhung ihrer Temperatur bis auf einen Wert in der Nähe ihres Siedepunktes, die dann überkopf durch die Leitung (6) abgezogen und in einen Desorber (7) eingeleitet wird, während die aus einem Elektrolysator (9) über die Leitung (11) abgezogene und in den Kopf des Wärmeaustauschers (5) eingeführte erhitzte regenerierte wäßrige Fell-EDTA-Lösung nach dem Abkühlen durch Wärmeaustausch als Bodenprodukt abgezogen und durch die Leitung (12) über einen Kühler (13) durch die Leitung (14) in den Kopf des Absorbers (2) zurückgeführt wird;
- einen Desorber (7), in dessen oberen Abschnitt die erhitzte wäßrige Fell(NO)-EDTA-Komplex-Lösung durch die Leitung (6) eingeleitet und im Gegenstromkontakt mit in den unteren Abschnitt des Desorbers (7) durch die Leitung (10) eingeleitetem Wasserstoff und durch die Leitung (20) eingeleitetem Wasserdampf durch Desorption bei erhöhter Temperatur von dem komplex gebundenen NO befreit wird, wonach das in dem Absorber ent standene Gasgemisch aus NO, H2 und Wasserdampf durch die Leitung (15) überkopf abgezogen und - nach Entfernung des Wasser dampfes in dem Kondensator (16) und Rückführung des kondensierten Wasserdampfes durch die Leitung (18) in einen Reboile (19), in dem der durch die Leitung (20) dem Desorber zugeführ te Wasserdampf erzeugt wird - durch die Leitung (17) direkt der katalytischen Hydroxylaminsythese zugeführt wird, während die als Bodenprodukt aus dem Desorber (7) abgezogene wäßrige Lösung von Fell-EDTA durch die Leitung (8) dem Elektrolysator (9) zugeführt wird, und
- einen aus Anoden- und Kathodenabteil bestehenden Elektrolysator (9), in dessen Kathodenabteil die aus dem Desorber (7) durch die Leitung (8) abgezogene wäßrige Fell-EDTA-Lösung eingeführt wird zur Reduktion von eventuell darin enthaltenem Felll-EDTA zu Fell-EDTA unter gleichzeitiger Bildung von Wasserstoff, der über die Leitung (10) in den unteren Abschnitt des Desorbers (7) eingeführt wird, während die regenerierte wäßrige Fell-EDTA-Lösung von erhöhter Temperatur zur stufenförmigen Abkühlung aus dem Kathodenabteil abgezogen und über die Leitung (11) in den Wärmeaustauscher (5) und von dort über den Kühler (13) in den Absorber (2) zurückgeführt wird und der im Anodenabteil gebildete Sauerstoff abgezogen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Desorber (7) eine gefüllte Säule ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (5) ein Mantel und Rohr-Wärmeaustauscher ist, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kühlen Seite 5 bis 15°C, vorzugsweise 10°C, beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (13) ein Wärmeaustauscher ist,, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen wärmerer und Kühlerer Seite 4 bis 8°C, vorzugsweise 5°C, betrügt.
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