Die vorliegende Erfindung betrifft eine Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Salpetersäureanlagen kommen Anlagen zum Einsatz, die beispielsweise nach dem Ein- Druck-, (auch Monodruckverfahren genannt) oder Zwei-Druck-Verfahren arbeiten. Für nähere Details kann auf die EP 0 945 400 Bl verwiesen werden. Die Salpetersäureanlage ist jedoch in beiden Fällen ähnlich aufgebaut und umfasst im Wesentlichen eine Antriebseinrichtung, insbesondere Dampfturbine (oder Elektromotor oder ggf. Gasturbine), einen Luftkompressor, einen Nitrosegaskompressor und einen Gasexpander. Bei den Monodruckverfahren entfällt der Nitrosegaskompressor.

Die vorgenannten Komponenten sind mittels Drehübertragungsmittel miteinander gekoppelt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Dampfturbine mit der entstehenden Prozessabwärme den Maschinenstrang antreibt. Der Luftkompressor komprimiert die benötigte Luft, während der Nitrosegaskompressor die Verdichtung des NOx-Gases übernimmt. Der ans andere Maschinenstrangende gesetzte Gasexpander nutzt die Restgase und sorgt vorzugsweise ebenso für den nötigen Antrieb. Die Zusammenhänge, insbesondere die chemischen und verfahrenstechnischen Prozesse zur Herstellung von Salpetersäure sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Hier kann unter anderem auch auf die EP 0 945 400 Bl verwiesen werden.

Nach aktuellem Stand der Technik war die Reihenfolge der einzelnen Maschinen in einer als Einwellenmaschine ausgestalteten Turbomaschine in einer Salpetersäureanlage, auch Inline - Maschine genannt, für Salpetersäurezweidruckanlagen, aufgrund der unterschiedlichen Drehzahlen fest vorgegeben. Hierbei war z.B. folgende Reihenfolge einzuhalten: Dampfturbine, Nitrosegaskompressor, Luftkompressor, Gasexpander. Eine Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Ein-Druck- oder dem Zwei-Druck-Verfahren, in welcher eine Luft- Vorverdichtungsstufe, eine NOx-Verdichtungsstufe sowie zwei Expansionsstufen, die jeweils einen radialen Einlass und einen radialen Auslass aufweisen, in dieser Reihenfolge auf einer Antriebswelle angeordnet und gegebenenfalls mit Getrieben miteinander verbunden sein können, ist aus WO 03/070634 Al bekannt. Die nun hier beschriebene Erfindung baut auf der Erfindung nach der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2016 002 126 Ul auf, da sich nun die Möglichkeit bietet, die einzelnen Maschinen der als Einwellenmaschine ausgestalteten Turbomaschine in der Salpetersäureanlage variabel anzuordnen und durch diese Erfindung die Energieeffizienz einer Salpetersäurezweidruckanlage zu steigern. Eine Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure ist beispielsweise aus der DE 10 2016 003 950 Al bekannt geworden. Der wesentliche Aspekt der Erfindung gemäß DE 10 2016 003 950 Al liegt darin, dass die vorgenannten Komponenten mit einer gemeinsamen Drehzahl betrieben werden können und somit ohne ein oder mehrere Drehzahl-Übersetzungs-Getriebe, zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander gekoppelt sind. Der Vorteil liegt insbesondere an der Ersparnis der ansonsten verwendeten Getriebe und der damit einhergehenden Kostenersparnis und einer Reduktion des Wartungsaufwandes, aber auch in einer Steigerung des Wirkungsgrades des Maschinenstranges und damit der Ausbeute an Salpetersäure, sowie der Möglichkeit, die Maschinen in beliebiger Reihenfolge innerhalb des Maschinenstranges anordnen zu können.

Aus der CN 203130565U ist ferner ein kombinierter Luft- und Nitrosegaskompressor für die Salpetersäureherstellung bekannt geworden. Hier ist unter anderem beschrieben, dass das Laufrad der ersten Stufe der Luftverdichtereinheit, das Laufrad der zweiten Stufe der Luftverdichtereinheit, das Laufrad der ersten Stufe der Stickoxideinheit und das Laufrad der zweiten Stufe der Stickoxideinheit halboffene Laufräder mit hohem Wirkungsgrad und axialem Lufteinlass sein sollen. Als Luft- bzw. Nitrosegaskompressor wird hier ein Radialkompressor mit axialer Ansaugung verwendet. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Getriebeturbo, auch Mehrwellenmaschine genannt, im Gegensatz zu den in diesem Patent genannten Einwellenmaschinen. Bei einem Getriebeturbo werden beispielsweise Wellen unterschiedlicher Maschinen mit unterschiedlichen Drehzahlen durch ein zentrales Getriebe angetrieben.

Wenngleich im Stand der Technik bereits brauchbare Salpetersäureanlagen zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Zweidruckverfahren, umfassend einen Maschinenstrang beschrieben sind, so besteht dennoch Verbesserungsbedarf, insbesondere hinsichtlich einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe eine verbesserte Salpetersäureanlage, insbesondere einen verbesserten Maschinenstrang, ausgeführt als Einwellenmaschine in einer Salpetersäureanlage nach dem Zweidruckprozess, vorzuschlagen, bei dem Vorteile hinsichtlich seines Wirkungsgrades erzielt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass es sich bei dem Luftkompressor um einen Verdichter für eine Salpetersäureanlage nach dem Zweidruckprozess mit axialem Einlass handelt, der endseitig des Maschinenstrangs angeordnet ist, kann eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden, insbesondere gegenüber einem Luftkompressor einer Einwellenmaschine mit einem radialen Einlass. Durch die endseitige Anordnung wird die Möglichkeit geschaffen, die axiale Ansaugung auf möglichst einfache Art und Weise zu realisieren. Durch die axiale Ansaugung und die dadurch erzielte Reduzierung von Strömungs(umlenkungs)verlusten und Optimierung der Anströmprofile kann der Wirkungsgrad des Luftkompressors beispielsweise um 0,1 % bis zu 4 % erhöht werden. Dies führt zu einer besseren Energieeffizienz der gesamten Salpetersäureanlage, wodurch diese umweltschonender wird und die Betriebskosten gesenkt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände und Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gasexpander mit einem axialen Einlass oder einem axialen Auslass ausgeführt ist, wobei der Gasexpander endseitig des Maschinenstranges, insbesondere am anderen Ende bezogen auf den Luftkompressor, angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann auf einfache Art und Weise ein axialer Einlass oder Auslass des Gasexpanders realisiert werden. Dies bedeutet insbesondere, dass es sich bei dem Luftkompressor um einen Verdichter mit axialem Einlass handeln kann. Es ist ebenfalls möglich, dass es sich bei dem Luftkompressor stattdessen um einen Verdichter mit axialem Auslass handelt. Bei dem Luftkompressor kann es sich gegebenenfalls auch um einen Verdichter mit axialem Einlass und mit axialem Auslass handeln.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Luftkompressor, Antriebseinrichtung, Nitrosegaskompressor, Gasexpander in der vorgenannten Reihenfolge oder Luftkompressor, Nitrosegaskompressor, Antriebseinrichtung, Gasexpander in der vorgenannten Reihenfolge angeordnet sind. Eine derartige Anordnung der vorgenannten Komponenten ermöglicht auf vorteilhafte Art und Weise einen axialen Einlass oder Auslass von Luftkompressor und/oder Gasexpander (dies kann gegebenenfalls auch eine Kombination von axialem Einlass und axialem Auslass beinhalten).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Nitrosegaskompressor mit einem axialen Einlass oder einem axialen Auslass ausgeführt ist, wobei der Nitrosegaskompressor endseitig des Maschinenstranges angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann auf einfache Art und Weise ein axialer Einlass oder Auslass des Nitrosegaskompressors realisiert werden (dies kann gegebenenfalls auch eine Kombination von axialem Einlass und axialem Auslass beinhalten).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung, der Luftkompressor, der Nitrosegaskompressor und der Gasexpander eine gemeinsame Antriebswelle (die Antriebswellen der einzelnen Maschinen sind vorzugsweise durch Kupplungen verbunden) und somit eine gemeinsame Drehzahl aufweisen. In einer derartigen Anordnung sind grundsätzlich keine Getriebe vorgesehen, so dass beispielsweise Wirkungsgradverluste durch Getriebe wegfallen können. Beim Maschinenstrang handelt es sich in diesem Fall um Maschinen, wie z.B. Luftkompressor, Dampfturbine (oder Elektromotor oder Gasturbine), Nitrosegaskompressor und Gasexpander, die beispielsweise auf einer gemeinsamen Drehzahl laufen und durch Kupplungen verbunden sind, dem Fachmann auch als „Einwellenmaschinen“ oder auch „Inline-Maschinen“ bekannt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung, insbesondere Dampfturbine oder Elektromotor oder ggf. Gasturbine, der Luftkompressor, der Nitrosegaskompressor und der Gasexpander dazu eingerichtet sind, mit derselben Drehzahl zu laufen, wobei der Drehzahlwert während des Betriebes variiert werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem Luftkompressor, insbesondere dem Einlass des Luftkompressors, ein Luftfilter vorgeschaltet ist. Hierdurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass unerwünschte Schwebstoffe in den Luftkompressor eingesaugt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Luftfilter in einer Flucht mit dem Luftkompressor, insbesondere dem Einlass des Luftkompressors, ausgerichtet, insbesondere aufgeständert, ist. Hierdurch kann eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden, insbesondere da der Luftansaugweg begradigt und unerwünschte Umlenkungen vermieden werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen Luftkompressor und Luftfilter, insbesondere zwischen dem Einlass des Luftkompressors und dem Luftfilter, ein Zuleitungsrohr angeordnet ist. Über die Ausgestaltung eines Zuleitungsrohres kann Einfluss auf die Luftströmung genommen werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 ein Maschinenstrang einer erfindungsgemäßen Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure in einer schematischen Darstellung mit der Abfolge Luftkompressor, Antriebseinrichtung, Nitrosegaskompressor, Gasexpander;

Fig. 2 ein Maschinenstrang einer erfindungsgemäßen Salpetersäureanlage zur Herstellung von Salpetersäure in einer schematischen Darstellung mit der Abfolge Luftkompressor, Nitrosegaskompressor, Antriebseinrichtung, Gasexpander;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Salpetersäureanlage mit einem Maschinenstrang in einer schematischen Darstellung.

Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:

M Maschinenstrang

S Salpetersäureanlage

1 Luftkompressor

2 Antriebseinrichtung, insbesondere Dampfturbine, alternativ elektrischer Motor oder Gasturbine

3 Nitrosegaskompressor

4 Gasexpander

5 An- und Abtriebswellen mit Kupplungen

6 Vorrichtung für Salpetersäureprozess, insbesondere Ammoniak-Oxidation

7 Vorrichtung für Salpetersäureprozess, insbesondere Absorption und Restgasreinigung

11 Einlass (Ansaugung) des Luftkompressors

12 Auslass des Luftkompressors

13 Luftfilter 14 Zuleitungsrohr

15 Luftfilterpodest

41 Einlass des Gasexpanders

42 Auslass des Gasexpanders

Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei spielt es keine Rolle wie die Reihenfolge (Fig. 1 bis Fig. 3) der Ein- und Auslässe der Dampfturbine und des Nitrosegaskompressors angeordnet sind.

Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine" und „der/die/das" auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf" und/oder „aufweisend", wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder" jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.

Eine Salpetersäureanlage S umfasst im Wesentlichen einen Maschinenstrang M.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf den eigentlichen Maschinenstrang M und die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten. Dem Fachmann sind die sonstigen Einrichtungen einer Salpetersäureanlage S, insbesondere deren fluidischen Verbindungen und weiteren Komponenten, hinreichend bekannt. Für weitere Details kann beispielsweise auf die EP 0 945 400 Bl verwiesen werden. Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.

Ein Maschinenstrang M einer Salpetersäureanlage S zur Herstellung von Salpetersäure umfasst im Wesentlichen eine Antriebseinrichtung 2, insbesondere Dampfturbine (Elektromotor oder Gasturbine), einen Luftkompressor 1, einen Nitrosegaskompressor 3, sowie einen Gasexpander 4.

Die vorgenannten Komponenten sind zur Übertragung einer Drehbewegung mittels durch Kupplungen miteinander verbundene An- und Abtriebswellen 5 miteinander verbunden. Hierbei werden in diesem Patent die einzelnen An- und Abtriebswellen der einzelnen Maschinen als „Antriebswelle“ zusammengefasst. Vorzugsweise kommt hier eine gemeinsame Drehzahl der Antriebswellen 5 in Betracht. Hier kann beispielsweise auf die DE 10 2016 003 950 Al, insbesondere auf die sich hieraus ergebenden Vorteile, verwiesen werden.

Die durch Kupplungen verbundenen An- und Abtriebswellen 5 drehen vorzugsweise mit der gleichen Drehzahl. Im Wesentlichen sollte die Drehzahl variierbar sein. Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Getriebe zwischengeschaltet ist/sind, insbesondere dort, wo es einer Abstufung der Drehzahlen bedarf.

Die Antriebseinrichtung 2, vorzugsweise als Dampfturbine ausgestaltet, treibt entsprechend den Maschinenstrang M an.

Der Luftkompressor 1 und/oder der Nitrosegaskompressor 3 ist vorzugsweise als ein- oder mehrstufiger Kompressor ausgestaltet. Der Luftkompressor 1 und/oder der Nitrosegaskompressor 3 kann auch als Luftverdichter und/oder Nitrosegasverdichter angesprochen werden.

Bei dem Gasexpander 4 handelt es sich im Wesentlichen um eine Turbine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert und dabei Arbeit leistet. Der Gasexpander 4 kann zusätzlich die mit Kupplungen verbundene An- und Abtriebswelle 5 antreiben. Der Gasexpander ist vorzugsweise als ein- oder mehrstufige Turbine ausgestaltet.

Wie bereits oben ausgeführt, ist der Maschinenstrang M Teil einer Salpetersäureanlage S, die weiteren Komponenten, wie beispielsweise Kondensatoren, Reaktoren, Rohrleitungen etc., umfasst. Dem Fachmann sind die Zusammenhänge und weiteren Komponenten bekannt und müssen nicht näher erläutert werden. Für weitere Details kann beispielsweise auf die EP 0 945 400 Bl verwiesen werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei dem Luftkompressor 1 um einen Verdichter mit axialem Einlass 11 oder axialem Auslass 12 handelt, der endseitig des Maschinenstrangs M angeordnet ist, insbesondere, dass der Luftkompressor 1 endseitig des Maschinenstrangs M angeordnet ist und es sich bei dem Luftkompressor 1 um einen Verdichter einer Einwellenmaschine mit axialem Einlass 11 in einer Salpetersäureanlage S nach dem Zweidruckverfahren handelt (dies kann gegebenenfalls auch eine Kombination von axialem Einlass und axialem Auslass beinhalten). Es kommt auch ein ein- oder mehrstufiger Radialkompressor mit axialem Einlass in Frage. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht, dass die angesaugte Luft mit geringeren Strömungsverlusten in den Luftkompressor 1 eintreten kann.

Bei einem Verdichter einer Einwellenmaschine mit axialer Ansaugung in einer Salpetersäureanlage S nach dem Zweidruckverfahren, auch axialer Turbokompressor genannt, strömt das zu komprimierende Gas in im Wesentlichen paralleler Richtung, insbesondere paralleler Richtung, zur Antriebswelle durch den Verdichter. Der Luftkompressor weist entsprechend den oben genannten Einlass 11 für Luft, der auch als Ansaugung bezeichnet werden kann, sowie einen Auslass 12 für die verdichtete Luft auf. Der Einlass 11 ist entsprechend axial ausgerichtet, während der Auslass 12 radial, aber auch axial ausgerichtet sein kann.

Es kann ferner vorzugsweise vorgesehen sein, dass es sich bei dem Gasexpander 4 um einen Gasexpander einer Einwellenmaschine mit axialer Ansaugung in einer Salpetersäureanlage S nach dem Zweidruckverfahren handelt. Bei einem Gasexpander einer Einwellenmaschine einer Salpetersäureanlage nach dem Zweidruckverfahren strömt das zu dekomprimierende Gas in im Wesentlichen paralleler Richtung, insbesondere paralleler Richtung, zur Antriebswelle durch den Expander. Der Gasexpander weist einen Einlass 41 und einen Auslass 42 auf. Einlass oder Auslass sind bevorzugt ebenfalls axial ausgerichtet.

In diesem Zusammenhang ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass der Gasexpander 4 am anderen Ende des Maschinenstrangs M, also auf der gegenüberliegenden Seite des Luftkompressors 1, vorgesehen ist. Hieraus ergibt sich folgende bevorzugte Abfolge der Komponenten des Maschinenstrangs in axialer Richtung, nämlich Luftkompressor 1, Antriebseinrichtung 2, Nitrosegaskompressor 3, Gasexpander 4. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt. Denkbar ist auch eine vertauschte Anordnung von Nitrosegaskompressor 3 und Antriebseinrichtung 2, also Luftkompressor 1, Nitrosegaskompressor 3, Antriebseinrichtung 2, Gasexpander 4. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt.

In Bezug auf die Fig. 1 und 2 kann angemerkt werden, dass grundsätzlich die Maschinen wie, z.B. Dampfturbine oder NO-Kompressor gespiegelt werden könnten. D.h. dass die Ein- und Auslässe seitenvertauscht wären. Grundsätzlich sind zahlreiche Anordnungsmöglichkeiten denkbar, so wie insbesondere dass der Gasexpander 4 mit einem axialen Einlass 41 oder einem axialen Auslass 42 ausgeführt ist, wobei der Gasexpander 4 endseitig des Maschinenstranges M, insbesondere am anderen Ende bezogen auf den Luftkompressor 1, angeordnet ist, wobei insbesondere Luftkompressor 1, Antriebseinrichtung 2, Nitrosegaskompressor 3, Gasexpander 4 in der vorgenannten Reihenfolge oder Luftkompressor 1, Nitrosegaskompressor 3, Antriebseinrichtung 2, Gasexpander 4 in der vorgenannten Reihenfolge angeordnet sind. Es kann beispielsweise ebenso vorgesehen sein, dass der Nitrosegaskompressor 3 mit einem axialen Einlass oder einem axialen Auslass ausgeführt ist, wobei der Nitrosegaskompressor 3 endseitig des Maschinenstranges angeordnet ist.

Eine Salpetersäureanlage S mit einem Maschinenstrang M ist in der Fig. 3 dargestellt.

Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass dem Luftkompressor 1, insbesondere dem Lufteinlass 11, ein Luftfilter 13 vorgeschaltet ist. Bevorzugt ist ein Zuleitungsrohr 14 mit einer definierten Abmessung zwischen dem Luftfilter 13 und dem Luftkompressor 1, insbesondere dem Einlass 11 des Luftkompressors 1 vorgesehen. Über die Abmessung des Zuleitungsrohrs 14, insbesondere dessen Länge, kann Einfluss auf die Strömungscharakteristik der angesaugten Luft genommen werden.

Vorzugsweise ist auch die Anordnung aus Luftfilter 13 und Luftkompressor 1 und insbesondere Zuleitungsrohr 14 in einer axialen Richtung hintereinander und insbesondere horizontal oder in einer Flucht zueinander angeordnet. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Luftfilter 13 auf einem entsprechenden Podest 15 angebracht ist, so dass Luftfilter 13 und Luftkompressor 1, insbesondere dessen Einlass 11, eine Flucht bilden. Es ist insbesondere vorgesehen, ein möglichst gerades Zuleitungsrohr 14 bereitzustellen, um Strömungsverluste zu minimieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Die Aufständerung des Luftfilters 13 fern des Bodens hat aber auch bei schmutz- und staubbelasteten Böden den Vorteil, dass nicht noch nahe des Bodens Luft eingesaugt wird. Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Salpetersäureanlage S eine Vorrichtung 6 für den Salpetersäureprozess, insbesondere Ammoniak-Oxidation, sowie eine Vorrichtung 7 für den Salpetersäureprozess, insbesondere Absorption und Restgasreinigung, umfasst.