本發(fā)明涉及利用氨及有關(guān)之生成物，例如碳酸銨和硫酸銨的制造來產(chǎn)生動力以及制冷的一些方法和措施。

早在二十世紀(jì)初期開始，人們已利用哈伯和其他的發(fā)明家所研制的方法，進(jìn)行大規(guī)模的氨和其衍生物的制造。

直到目前為止，原來的方法大部分都沒有改變，用一種燃料資源為始，例如煙煤或褐煤之焦煤。將此燃料鼓風(fēng)至白熾，并將蒸汽輸入此燃料床，最后產(chǎn)生二氧化碳和氫氣之混合物。

在合成氨之前，必須將二氧化碳從氫氣中分離，可以將此氣體混合物通入一個盛有碳酸鉀/碳酸氫鉀的環(huán)管來完成分離。

甚至在氨廠停歇的時候，此環(huán)管都必須保持在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在環(huán)管中，氫氣和二氧化碳之氣態(tài)混合物與冷的碳酸鉀水溶液接觸。結(jié)果產(chǎn)生了一種碳酸氫鉀水溶液。將游離的氫氣移走之后，將碳酸氫鉀溶液加熱約至130℃，使其放出二氧化碳和蒸汽而生成碳酸鉀。將二氧化碳和水蒸汽排空。利用熱交換器，將熱的碳酸鉀溶液冷卻，并將此經(jīng)冷卻的溶液再循環(huán)。被分離的氫氣與適當(dāng)?shù)牡椿希渲袣錃馀c氮?dú)庵壤s為3∶1。氫氣和氮?dú)膺M(jìn)入一個合成的封閉系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，它們經(jīng)過一個高壓的氨合成塔中的催化劑，在此塔合成氨。

額外的有用的化合物，也可以從此合成氨中制得。例如，可用硫酸處理此氨，制成硫酸氨。

因?yàn)榄h(huán)管之上游或下游出現(xiàn)障礙，或者是因?yàn)槿剂匣蚱渌脑隙倘倍仨毻Ｖ固妓徕洯h(huán)管的運(yùn)轉(zhuǎn)時，應(yīng)當(dāng)考慮使碳酸鉀循環(huán)恢復(fù)至正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要花的時間和經(jīng)費(fèi)。

此外，雖然氨和其化學(xué)衍生物都是非常有用的化合物，但是在它們的制造中必須消耗大量的能量，所以需要研制出一種技藝來降低制造一定量的氨所需要的能量，同時將該系統(tǒng)停歇時碳酸鉀循環(huán)期間所浪費(fèi)的能量減至最低的程度。

總的來講，本發(fā)明之方法是比依靠一般的壓縮方法好得多的唯一獨(dú)特之方法，本發(fā)明依據(jù)化學(xué)的反應(yīng)的動力學(xué)來代替利用一種氣體被冷卻至冷凝時所發(fā)生的壓縮，迅速地提供一種最后的生成物，此生成物使其進(jìn)料線中產(chǎn)生真空。因此，本發(fā)明不僅適用于其中最后產(chǎn)物之溫度低于反應(yīng)物之溫度之反應(yīng)，好比是處于冷凝狀態(tài)的變化，同時也適用于最后生成物之溫度與反應(yīng)物之溫度相同或甚至比反應(yīng)物之溫度還高的情況下運(yùn)用。此原理構(gòu)成本發(fā)明之一個重要的目標(biāo)，將參照附圖加以說明。

雖然此圖是指一個完整的氨和硫酸銨之生產(chǎn)流程圖，但本發(fā)明之方法和裝置，包含許多不同的目標(biāo)，將在下面分別討論。

按照本發(fā)明之第一個目標(biāo)，硫酸銨之形式，首先是使氨與二氧化碳和水蒸汽在反應(yīng)器中反應(yīng)，生成碳酸銨溶液（水蒸汽的供應(yīng)應(yīng)超過其化學(xué)計(jì)算量，以便保證所生成的碳酸銨溶液是一種易流動的稀漿），隨著使碳酸銨溶液與硫酸反應(yīng)而生成硫酸銨，然而，在此工藝之前，已普遍使氨直接與硫酸反應(yīng)來生成硫酸銨，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用氨的制造方法，間接形成碳酸銨的方法可以控制，可將能量從體系中移走。

因此，如果至少有一種形成碳酸銨之反應(yīng)物，在排進(jìn)密閉的反應(yīng)器之前先經(jīng)過反應(yīng)器上游之一個熱的發(fā)動機(jī)的話，則在反應(yīng)器中，固體的碳酸銨（在溶液中）的形成會因反應(yīng)物和生成物之間的體積的減小而產(chǎn)生真空，使跨越熱的發(fā)動機(jī)產(chǎn)生壓力降。因此，此反應(yīng)氣室起一個作為熱發(fā)動機(jī)之排氣的冷凝器的作用，而該發(fā)動機(jī)可用來發(fā)電等。

與制造硫酸銨有關(guān)的設(shè)備包括，氨、二氧化碳和水蒸汽之發(fā)生器，以及將氨、二氧化碳和水蒸汽輸進(jìn)最后形成碳酸銨之反應(yīng)氣室中之裝置。另外，應(yīng)提供一個硫酸發(fā)生器，其設(shè)備包括使碳酸銨和硫酸反應(yīng)生成硫酸氨之一些裝置。再者，用有效的設(shè)備，將一個熱發(fā)動機(jī)連在至少為其中之一個反應(yīng)物發(fā)生器和反應(yīng)室之間，目的是利用反應(yīng)氣室中，由于碳酸氨之形成所產(chǎn)生的壓力降。

按照本發(fā)明之另一種方向，是將在制氨中，通常用來使有用的氫氣自燃料氣中分離的碳酸鉀/碳酸氫鉀環(huán)管，改成用來分離二氧化碳和水蒸汽，否則可以將它們排出，用來制造碳酸銨。本技藝之好處是節(jié)省和使用體系中之二氧化碳，在加熱碳酸氫鉀期間，二氧化碳所吸收的熱能至少可以部分回收，其方法是使二氧化碳在進(jìn)入反應(yīng)室之前，先通過一個熱發(fā)動機(jī)。利用本技藝，可以使壓力室中產(chǎn)生壓力降，這是由于碳酸氨的形成而造成的結(jié)果，跨越此熱發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的壓力降，可以驅(qū)動該發(fā)動機(jī)，達(dá)到回收能量的目的。然后可使形成的碳酸銨與硫酸反應(yīng)而生成硫酸銨。很顯然，為了利用反應(yīng)室中之壓力降，也可以將另一個熱發(fā)動機(jī)設(shè)在氨的輸送管道中。

本發(fā)明之另一個方向，是將制氨過程中之產(chǎn)物及其付產(chǎn)物都用作動力生產(chǎn)中之工作流體。

然而按照本發(fā)明之另一個方向，不需要硫酸銨的時候，好比是此原料供過于求的時候或者是當(dāng)供使用的氨超過制造硫酸銨所需要的量時，可使可供使用的氨與水蒸汽和二氧化碳之氣態(tài)混合物反應(yīng)，將氨以碳酸銨之形式自行貯存起來。另外，可以利用使每一個氣流穿過熱發(fā)動機(jī)的方法來發(fā)電。

相反地，每一個氣流都可以加壓液化并且在室溫下貯存于容器中。想要使用此凝結(jié)的液體時，可以使這些液體穿過熱發(fā)動機(jī)而迅速膨脹，流入一個碳酸銨反應(yīng)室內(nèi)。在氣化的過程中，貯存的容器被冷卻，同時可使流經(jīng)一個熱交換系統(tǒng)的冷凍劑與該容器之器壁接觸，利用物理現(xiàn)象來冷卻冷凍劑。氣化過程可控制在等溫中發(fā)生。因此，膨脹的能量可當(dāng)成是一些反應(yīng)物（即：水蒸汽、二氧化碳和氨）之自由能和生成物，碳酸銨之自由能之間的自由能差。

然而，本發(fā)明之另一個方向是，在申請者已改進(jìn)的，用作連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的碳酸鉀/碳酸氫鉀環(huán)管的技藝中，更明確地利用式加熱器來連續(xù)地加熱碳酸氫鉀溶液，甚至在此環(huán)管之前頭或下游出現(xiàn)停工之事件中，也要連續(xù)地加熱。這是很重要的，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)破壞時，例，環(huán)管之加熱器和接觸室發(fā)生停工的事件中，起動的費(fèi)用昂貴，所花的時間很長。因此，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種技藝，在不正常期間，利用二氧化碳和水蒸汽的循環(huán)使環(huán)管連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，通常，這些二氧化碳和蒸汽一離開碳酸氫鉀溶液之加熱器就已被排出去，同時回收循環(huán)氣流中之熱能，在備用的情況中，降低環(huán)管之操作費(fèi)用。因此，按照本發(fā)明，此二氧化碳?xì)怏w，氫氣和水蒸汽，首先與碳酸鉀溶液反應(yīng)生成碳酸氫鉀溶液。游離態(tài)的氫氣從碳酸氫鉀溶液中分離，碳酸氫鉀溶液加熱，生成碳酸鉀溶液的同時，產(chǎn)生二氧化碳和水蒸汽。將準(zhǔn)備再使用的碳酸鉀溶液冷卻，而所生成的二氧化碳和水蒸汽，采用通過熱發(fā)動機(jī)之方法而得到冷卻。提供此反應(yīng)所需要的化學(xué)計(jì)算量過量的水蒸汽，使形成易流動的漿液，并且使熱發(fā)動機(jī)之葉片不會被原料固結(jié)成皮。然后使經(jīng)冷卻的二氧化碳和水蒸汽與經(jīng)冷卻的碳酸鉀溶液接觸，此過程可根據(jù)需要不斷地進(jìn)行，然而，在別的情況下，如果將二氧化碳?xì)饬髋畔虼髿獾脑?，則回收的能量會消失掉。

更主要的目的之一是可以鑒定本發(fā)明致力于研究一種方法，使反應(yīng)室中可以由二種或多種反應(yīng)物生成一種生成物，使反應(yīng)室中生成物之壓力低于反應(yīng)物之輸送管線中，每一個反應(yīng)物之壓力。這是由于此反應(yīng)生成物之容積之減小與反應(yīng)物有關(guān)。因此，這些反應(yīng)物一進(jìn)到反應(yīng)室就發(fā)生反應(yīng)，并在反應(yīng)室中產(chǎn)生真空，結(jié)果至少穿過一個熱發(fā)動機(jī)產(chǎn)生壓力降，該發(fā)動機(jī)至少裝在其中之一條反應(yīng)物管線中。應(yīng)該注意的是，根據(jù)所使用的反應(yīng)物和反應(yīng)的條件，可以使所有的反應(yīng)物穿過一個單管，例如，當(dāng)反應(yīng)需要一種催化劑或者是用一些熱發(fā)動機(jī)來將這些反應(yīng)物隔開，使它們處于某些或完全分隔開的反應(yīng)物管線中時，為了排除反應(yīng)室中因放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，可用一個熱交換器（沒有顯示出來）來冷卻反應(yīng)室。

按照本發(fā)明之主要的方向，盡管反應(yīng)產(chǎn)物是一些氣體、固體、液體或它們之中之混合物，此反應(yīng)物多半是一些氣體。根據(jù)圖中明確的規(guī)定，這些反應(yīng)物為氨、水蒸汽和二氧化碳，而反應(yīng)產(chǎn)物為處于溶液中之碳酸銨。

為了完成本發(fā)明之利用一種化學(xué)反應(yīng)之方法，使系統(tǒng)產(chǎn)生壓頭和/或使系統(tǒng)中的壓頭增加來達(dá)到生產(chǎn)能量的方法，至少可以予料四種反應(yīng)類型：

（1）反應(yīng)包括一種氣體和一種液體，分開源點(diǎn)。

例

（2）反應(yīng)包括不同的氣體，從同一個源點(diǎn)送來（一個密閉的環(huán)管系統(tǒng)）：

例

（3）反應(yīng)包括不同的氣體，這些氣體從不同的源點(diǎn)送回，即，敞式環(huán)管：

例

（4）反應(yīng)包括一種氣體和一種固體：

例

用實(shí)例來說明本發(fā)明的技藝可以用來產(chǎn)生真空，此真空可轉(zhuǎn)用于驅(qū)動一個與存在下列反應(yīng)之密閉環(huán)管系統(tǒng)相連的渦輪機(jī)：

在100℃，高壓在200℃，低壓

將這些多種化合物加熱，直到它們的組分揮發(fā)和分解為止，然后將它們通過一個渦輪機(jī)使其膨脹，并使其在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)，重新生成原來的化合物。

本發(fā)明補(bǔ)充，本發(fā)明的裝置是用一個反應(yīng)室，使至少是兩種的反應(yīng)物反應(yīng)生成一種生成物，反應(yīng)室中生成物的壓力比每一個反應(yīng)物之進(jìn)口壓力低。在此裝置中，至少有一條用來將每一個反應(yīng)物之源點(diǎn)連到反應(yīng)室的管線，并且至少將一個熱發(fā)動機(jī)裝在至少為其中之一條反應(yīng)物管線上，從而利用反應(yīng)物在氣室中的反應(yīng)，使反應(yīng)室中的壓力降低，造成橫過熱發(fā)動機(jī)之壓力降。

由于生成物在反應(yīng)室中形成時，生成物之壓力降低，使反應(yīng)物從輸送管線膨脹通入此反應(yīng)室內(nèi)。這種膨脹既可在等溫的條件下，也可以在不等溫的條件下發(fā)生。下列三種狀況中之任一種狀況都可以存在：

1）Tin＝T反應(yīng)室

2）Tin＞T反應(yīng)室

3）Tin＜T反應(yīng)室

其中Tin是蒸汽（膨脹前）的進(jìn)口溫度而T反應(yīng)室是反應(yīng)器之溫度。

然而，在整個說明書上連續(xù)提到的術(shù)語“熱發(fā)動機(jī)”，應(yīng)理解成是包括各種種類的裝置，利用這些裝置，可以從流動的反應(yīng)物中提取能量，同時可構(gòu)成如渦輪機(jī)之類的裝置，將其連到一個發(fā)電機(jī)上。

本圖紙之摘要說明

根據(jù)氨和與氨有關(guān)的化合物之制造方法之流程圖，將本發(fā)明之具體體現(xiàn)描述在附圖中。

本發(fā)明之詳細(xì)說明

現(xiàn)在參照本圖，一般方法之步驟用虛線表示，而本發(fā)明的步驟都用實(shí)線來說明。數(shù)字10指的是一個燃燒室，例如一個煉焦?fàn)t，負(fù)責(zé)提供氣態(tài)之氫氣和二氧化碳之煙道氣流12。此氣流在一個氣-液接觸塔14中與碳酸鉀之水溶液接觸，塔中溫度約為30℃。在川流中，碳酸鉀溶液與二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸氫鉀。然后，將碳酸氫鉀溶液16引進(jìn)式加熱器18中加熱，約加熱至130℃，結(jié)果再生成碳酸鉀溶液19，然后將此溶液送到冷凝器21中冷卻，使其溫度約為30℃。經(jīng)過冷卻之后，將碳酸鉀溶液再循環(huán)回接觸塔14之頂部，在此塔中，碳酸鉀將進(jìn)來的煙道氣中之二氧化碳除去。

伴隨著碳酸鉀溶液在式加熱器中的再生，水蒸汽和二氧化碳?xì)饬?3也在約為130℃之溫度下產(chǎn)生。將此氣流引向閥門25，既可以將這些氣體經(jīng)排放管27排至大氣（如一般的技藝中），也可以將這些二氧化碳和水蒸汽通經(jīng)管道29，用來驅(qū)動一個熱發(fā)動機(jī)，此發(fā)動機(jī)包括一個連接發(fā)電機(jī)33之渦輪機(jī)31。使用此反應(yīng)所需要的化學(xué)計(jì)算量過量的水蒸汽，使形成易流動的漿液，并且使渦輪機(jī)之葉片不會被原料固結(jié)成皮。由于工作運(yùn)行的結(jié)果，已被冷卻的二氧化碳和水蒸汽氣流可通回接觸塔14之頂部，使其與碳酸鉀溶液反應(yīng)。

這樣布置的結(jié)果，可以利用調(diào)節(jié)閥25，將出管之二氧化碳轉(zhuǎn)通入熱發(fā)動機(jī)31，使二氧化碳?xì)饬骺梢赃B續(xù)不斷地在系統(tǒng)中循環(huán)。使用此工藝，既使在不使用所生成的二氧化碳或者是當(dāng)進(jìn)口之煙道氣12中斷的情況下式加熱器18都可以運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管如此，本發(fā)明之優(yōu)點(diǎn)是，在式加熱器中，加到二氧化碳上的熱至少部分地以產(chǎn)生能量的形式被熱發(fā)動機(jī)31所回收。

將離開接觸塔14之游離態(tài)的氫氣通入反應(yīng)器39中，同時也將氮?dú)饬?1通入反應(yīng)器39中，使其中之氫氣與氮?dú)庵燃s為3∶1，氣態(tài)氨43在此反應(yīng)器中形成。為此目的，可用一般的氨發(fā)生器，并且按一般的方法操作。

利用閥門45，將離開反應(yīng)器39之氨引向一道或兩道不同的氣流。因此，可將生成的氨直接使用或使其反應(yīng)，根據(jù)一般的技藝，是使氨與硫酸反應(yīng)生成硫酸銨。這反應(yīng)是已知的，而且用虛線來表示。

然而，按照本發(fā)明，比起讓氨直接與硫酸反應(yīng)，不如利用閥45使氨先經(jīng)過渦輪機(jī)47而進(jìn)入反應(yīng)氣室49內(nèi)。利用此體現(xiàn)可以將本來可能已經(jīng)被排氣管27排放之二氧化碳和水蒸汽，轉(zhuǎn)向經(jīng)渦輪機(jī)51進(jìn)入反應(yīng)室49中，使二氧化碳和水蒸汽在此處與氨反應(yīng)，生成含水之碳酸銨。然后將碳酸銨溶液53輸進(jìn)接觸室55，使其與硫酸57接觸并形成硫酸銨液流59。

利用在最終形成硫酸銨液流之前，先形成碳酸銨，作為中間產(chǎn)物之方法，使節(jié)省能量的愿望達(dá)到非常令人滿意的程度。由于這兩種氣體在反應(yīng)室49中反應(yīng)，形成一種固體（在溶液中），其體積與兩種反應(yīng)氣體比較，很顯著地降低，所以在反應(yīng)室中產(chǎn)生一個壓力降或真空，同時影響到反應(yīng)物管線中的壓力，結(jié)果跨越渦輪機(jī)47和51都產(chǎn)生壓力降。此壓力降驅(qū)動每一個渦輪機(jī)，使其產(chǎn)生有用的能量。相當(dāng)明顯，不一定需要用二個渦輪機(jī)，例如，也可以只用一個渦輪機(jī)，將其設(shè)在一條管線上。

故意將反應(yīng)器49與大氣隔絕，使因反應(yīng)物反應(yīng)所產(chǎn)生的真空穿過熱發(fā)動機(jī)產(chǎn)生一個壓力降。在反應(yīng)室中形成的漿液或溶液可以用任一種普通的方法，將其從流線61中移走，然而，應(yīng)維持反應(yīng)室里面的被降低了的壓力。為了保證形成一種易流動的漿液，應(yīng)使用足夠的水蒸汽（過量于其化學(xué)計(jì)算量）。

在反應(yīng)室中形成的溶液或漿液，也可以用已知的本技藝熟練的方法來處理，使其再生成氨、二氧化碳和水蒸汽，然后，將它們循環(huán)通入反應(yīng)室49，經(jīng)此驅(qū)動渦輪機(jī)并形成碳酸銨。

然而按照本發(fā)明之另一個方向，可以將此系統(tǒng)修改，可以將驅(qū)動渦輪機(jī)47和51之一些氣體貯存起來。為此目的，需要安裝容器42和50，用來貯存這些氣體，這些容器在足夠的壓力下，使室溫中之氣體液化。為此目的，加壓工具和管線都要與每一個容器聯(lián)接。大略地解釋了為了使液流轉(zhuǎn)向流入此容器所需的一些閥門之必要性。一旦產(chǎn)生供過于求的生成物時，這些氣體的貯存可能變得重要。需要將液化氣重新氣化時，打開這些閥，使這些容器都被減壓，使液體可以氣化。根據(jù)較好的體現(xiàn)，這些容器可以采用熱交換的方法，與容器之器壁相連。這些熱交換方法，可以包括一種熱交換流體，例如一種流體，使其至少可以提供一部分氣化所需要的熱量。從而使流體被冷卻，同時可將其當(dāng)作制冷流體使用。

按照最終產(chǎn)物之要求，本發(fā)明之原理同樣適用于碳酸銨溶液61之生產(chǎn)中。可以將碳酸銨貯存和使用，或者是接著利用本發(fā)明之方法或任一其他的技藝，將碳酸銨轉(zhuǎn)化成硫酸銨。

因此可以看出，本發(fā)明之系統(tǒng)比先前的制氨方法提供了許多意義重大的好處，在系統(tǒng)中，其中之碳酸鉀/碳酸氫鉀環(huán)管可以連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不正常的事件時，可以避免將式加熱器關(guān)掉。此外，此環(huán)管可以連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，并不浪費(fèi)式加熱器之熱能，因?yàn)樗a(chǎn)生的二氧化碳驅(qū)動一個渦輪機(jī)時，渦輪機(jī)冷卻二氧化碳并回收有用的能量。

另外，本發(fā)明之系統(tǒng)利用先形成一種中間產(chǎn)物的方法來產(chǎn)生壓力降，利用此壓力降去驅(qū)動至少一個渦輪機(jī)，從而產(chǎn)生有用的能量，改進(jìn)了硫酸銨之生產(chǎn)效率。因此，制氨過程中之反應(yīng)物都可作為動力生產(chǎn)中之工作流體。

為了簡便起見，本發(fā)明之方法已經(jīng)以有關(guān)的完整的系統(tǒng)描述，由初期之反應(yīng)物開始，至最后形成予定之最終產(chǎn)物（氨、碳酸銨，或硫酸銨）。然而必須明白，本發(fā)明并不完全受限于本方法，而是希望將發(fā)明推廣到各種不同的實(shí)施。

此外，雖然本發(fā)明以有關(guān)之特定的生產(chǎn)圖來說明，但可清楚地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明之方法和步驟，可與別的相當(dāng)廣泛的多種化合物之生產(chǎn)流程圖一起應(yīng)用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的原理不同地應(yīng)用于別的方法中，這些原理的使用，相信是涉及本發(fā)明之規(guī)范，為了限定此范圍，將這些原理列入本權(quán)利要求之范圍中。