CN107253895A - 一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统和方法，包括烷烃脱氢装置(100)，空分装置(200)和氨合成装置(300)，所述烷烃脱氢装置(100)通过氢气输送管路(12)与所述氨合成装置(300)相连，所述空分装置(200)通过氮气输送管路(22)与所述氨合成装置(300)相连。低碳烷烃在烷烃脱氢装置中反应得到对应的低碳烯烃和氢气，分离后得到高纯度的低碳烯烃产品和氢气，后者进入氨合成装置，与由空分装置得到的高纯氮气反应，生成氨。与现有单产烯烃的烷烃脱氢工艺或煤基合成氨工艺相比，本发明充分利用烷烃脱氢过程副产的氢气生产氨，具有工艺流程短，废物排放少，经济和社会效益高等优点。

Description

一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统和方法

技术领域

本发明属于化工领域，尤其是涉及一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统和方法。

背景技术

烯烃，尤其是低碳烯烃，乙烯、丙烯和丁烯(包括正丁烯、2-丁烯和异丁烯)是整个石化工业的基础，其产量和技术水平代表了国家的经济和科技发展水平。目前低碳烯烃主要来自于石油裂解(包括蒸汽裂解和催化裂解)。新兴的煤化工路线，即甲醇制烯烃(MTO，MTP)主要适合于煤炭资源丰富的国家和地区，因为甲醇可以有价格低廉的煤炭生产，目前在我国发展较快。另外，随着美国和中东天然气，尤其页岩气的开采，副产大量的乙烷和丙烷，它们直接脱氢也可以生产低碳烯烃。

近几年来，国内和低碳烃丰富的地方加快了低碳烷烃脱氢制烯烃的步伐，其具有明显的成本优势。但是，由于低碳烯烃脱氢装置会产生大量氢气，氢气的利用变成为一个新的课题。目前大部分氢气作为燃料使用，附加值较低。另一方面，我国是一个人口、粮食和化肥大国，合成氨的需求量很大，其生产需要大量的氢气。目前，我国的合成氨路线主要采用以煤为原料的煤气化路线，投资大，能耗高，还有废气、废渣、废水的污染。因此，开发充分利用低碳烷烃脱氢副产的氢气生产合成氨，具有较好的经济、环境和社会效益。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现低碳烷烃脱氢过程副产氢气的综合利用的由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，包括烷烃脱氢装置，空分装置和氨合成装置，所述烷烃脱氢装置通过氢气输送管路与所述氨合成装置相连，所述空分装置通过氮气输送管路与所述氨合成装置相连。

所述烷烃脱氢装置包括烷烃脱氢反应设备，氢烃分离设备和烯烷烃分离设备，所述烷烃脱氢反应设备与所述氢烃分离设备相连，所述烯烷烃分离设备通过烷烃循环管线与所述烷烃脱氢反应设备相连，所述氢气输送管路与氢烃分离设备相连，所述烯烷烃分离设备排出的烯烃通过烯烃管路输出。

所述氨合成装置包括氢气压缩机、氮气压缩机，氨合成反应器和氨分离设备，所述的氢气压缩机和氮气压缩机均连接至氨合成反应器，所述氨合成反应器和氨分离设备通过管路和循环管路相连，所述循环管路为氢氮合成气循环管线，所述氨分离设备分离出来的氨通过氨输送管路输出。

所述的氢气压缩机和氮气压缩机可合并为氢氮混合气压缩机。

所述的空气分离装置包括变压吸附分离设备或深冷精馏设备。

采用上述系统进行低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)低碳烷烃脱氢制备氢气：低碳烷烃与水蒸汽或氢气混合后，经过加热温度升高在500-650℃，进入所述脱氢反应设备，得到包含对应低碳烯烃、烷烃和氢气的混合物，再进入所述氢烃分离设备得到含有烯烃与烷烃的混合物以及高纯度氢气，高纯度氢气经过所述氢气输送管路送出；

(2)制备低碳烯烃：从步骤(1)得到的烯烃和烷烃的混合物进入所述烯烷烃分离设备，得到高纯度的低碳烯烃，经由所述烯烃管路送出；

(3)空气分离制备氮气：空气进入所述空分装置得到高纯度的氮气，经由所述氮气输送管路送出；

(4)氨合成：步骤(1)得到的高纯度氢气进入氢气压缩机，步骤得到的高纯度氮气进入氮气压缩机，高纯度氢气和高纯度氮气经压缩后进入氨合成反应器，或者混合后升压到氨合成的反应压力后进入所述氨合成反应设备，生成氨，再由所述氨分离设备冷凝分离得到合成氨，由氨输送管路输出高纯度的氨。

所述低碳烷烃包括但不限于乙烷，丙烷，丁烷和戊烷。

步骤(1)得到的氢气的纯度大于99.0％，步骤(3)得到的氮气纯度大于99.0％。

所述低碳烯烃的纯度大于95.0％，所述氨的纯度大于99.5％。

所述低碳烯烃的纯度大于99.5％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，可充分利用低碳烷烃脱氢过程产生的氢气，应用于合成氨工艺，一方面提高了低碳烷烃脱氢工艺副产氢气的价值，同时也缩短了合成氨工艺的流程。同现有技术相比，本发明工艺集成度高，废物排放少，经济和社会效益优势明显。

附图说明

图1为本发明的工艺流程简图；

图2为本发明的另一种工艺流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

某工厂以丙烷为原料，应用如图1所示系统联产丙烯和氨，该系统包括烷烃脱氢装置100，空分装置200和氨合成装置300，其中烷烃脱氢装置100通过氢气输送管路12与氨合成装置300相连，空分装置200通过氮气输送管路22与氨合成装置300相连。

具体来说：

烷烃脱氢装置100包括烷烃脱氢反应设备110，氢烃分离设备120和烯烷烃分离设备130，烷烃脱氢反应设备110与氢烃分离设备120相连，烯烷烃分离设备130通过烷烃循环管线13与烷烃脱氢反应设备110相连，氢气输送管路12与氢烃分离设备120相连，由烯烷烃分离设备130得到的丙烯产品通过烯烃管路14输出。

氨合成装置300包括氢气压缩机310和氮气压缩机320，氨合成反应器330和氨分离设备340，氨合成反应器330和氨分离设备通过管路32和循环管路33相连，循环管路33为氢氮合成气循环管线，氨分离设备340分离得到的氨产品通过氨输送管路34输出。

空气分离装置200包括深冷精馏设备。

应用上述系统联产丙烯和氨，包括以下步骤：

(1)丙烷脱氢制备氢气：丙烷与水蒸汽混合后，经过加热温度升高在600℃，通过管路11进入脱氢反应设备110，得到包含丙烯、丙烷和氢气的混合物，再进入氢烃分离设备120得到氢气和含有丙烯与丙烷的混合物，氢气经过所述氢气输送管路12送出，得到纯度大于99.9％的氢气；

(2)制备丙烯：从步骤(1)得到的丙烯和丙烷的混合物进入烯烷烃分离设备130，得到的丙烯由烯烃输送管路14送出，剩余气体通过烷烃循环管线13返回脱氢反应设备110；

(3)空气分离制备氮气：空气进入空分装置200得到纯度大于99.0％的氮气，经由氮气输送管路22送出；

(4)氨合成：步骤(1)得到的高纯度氢气由氢气输送管路12输入氢气压缩机310升压，步骤(3)得到的高纯度氮气由氮气输送管路22输入氮气压缩机320升压，然后一起进入氨合成反应设备330，生成氨，再由氨分离设备340冷凝分离得到合成氨，由氨输送管路34输出。

在本实施例中应用本发明所述的系统和方法，丙烷脱氢装置产生的氢气可全部用于氨合成装置，丙烷单程转化率为40％，丙烯选择性为84％，得到的丙烯产品纯度为99.5％，得到的氨的纯度为99.5％。

实施例2

某工厂以异丁烷为原料，应用如图1所示系统联产异丁烯和氨，该系统包括烷烃脱氢装置100，空分装置200和氨合成装置300，其中烷烃脱氢装置100通过氢气输送管路12与氨合成装置300相连，空分装置200通过氮气输送管路22与氨合成装置300相连。

其中，烷烃脱氢装置100包括烷烃脱氢反应设备110，氢烃分离设备120和烯烷烃分离设备130，烷烃脱氢反应设备110与氢烃分离设备120相连，烯烷烃分离设备130通过烷烃循环管线13与烷烃脱氢反应设备110相连，氢气输送管路12与氢烃分离设备120相连，得到的丙烯产品通过烯烃管路14输出。

氨合成装置300包括氢气压缩机310和氮气压缩机320，氨合成反应器330和氨分离设备340，氨合成反应器330和氨分离设备通过管路32和33相连，循环管路33为氢氮合成气循环管线，得到的氨产品通过氨输送管路34输出。

空气分离装置200包括变压吸附分离设备。

应用上述系统联产异丁烯和氨，包括以下步骤：

(1)异丁烷脱氢制备氢气：异丁烷与氢气混合后，经过加热温度升高在580℃，进入脱氢反应设备110，得到包含异丁烯、异丁烷和氢气的混合物，再进入氢烃分离设备120得到氢气和含有异丁烯与异丁烷的混合物，氢气经过所述氢气输送管路12送出，得到纯度大于99.9％的氢气；

(2)制备异丁烯：从步骤(1)得到的异丁烯和异丁烷的混合物进入烯烷烃分离设备130，得到的异丁烯由烯烃输送管路14送出；

(3)空气分离制备氮气：空气进入空分装置200得到纯度大于99.0％的氮气，经由氮气输送管路22送出；

(4)氨合成：由步骤(1)得到的高纯度氢气和由步骤(3)得到的高纯度氮气分别经由氢气输送管路12和氮气输送管路22进入氨合成装置300，在氨合成装置300中氢气和氮气经由各自的压缩机：氢气压缩机310和氮气压缩机320升压，然后进入氨合成反应设备330，生成氨，再由氨分离设备340冷凝分离得到合成氨，由氨输送管路34输出。

在本实施例中应用本发明所述的系统和方法，异丁烷脱氢装置产生的氢气可全部用于氨合成装置，异丁烷单程转化率为35％，异丁烯选择性为91％，得到的异丁烯产品纯度为99.6％，得到的氨的纯度为99.5％。

实施例3

某工厂以丙烷为原料，应用如图2所示系统联产丙烯和氨。与实施例1不同的是，本例中为了减少设备投资，采用一台氢氮混合气压缩机310’取代实施例1中的氢气压缩机310和氮气压缩机320，来自烷烃脱氢装置100的高纯度氢气和来自空分装置200的高纯度氮气被氢氮混合气压缩机310’升压，然后进入氨合成反应设备330，生成氨。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，包括烷烃脱氢装置(100)，空分装置(200)和氨合成装置(300)，所述烷烃脱氢装置(100)通过氢气输送管路(12)与所述氨合成装置(300)相连，所述空分装置(200)通过氮气输送管路(22)与所述氨合成装置(300)相连。

2.根据权利要求1所述的一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，所述烷烃脱氢装置(100)包括烷烃脱氢反应设备(110)，氢烃分离设备(120)和烯烷烃分离设备(130)，所述烷烃脱氢反应设备(110)与所述氢烃分离设备(120)相连，所述烯烷烃分离设备(130)通过烷烃循环管线(13)与所述烷烃脱氢反应设备(110)相连，所述氢气输送管路(12)与氢烃分离设备(120)相连，所述烯烷烃分离设备(130)排出的烯烃通过烯烃管路(14)输出。

3.根据权利要求1所述的一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，所述氨合成装置(300)包括氢气压缩机(310)、氮气压缩机(320)，氨合成反应器(330)和氨分离设备(340)，所述的氢气压缩机(310)和氮气压缩机(320)均连接至氨合成反应器(330)，所述氨合成反应器(330)和氨分离设备通过管路(32)和循环管路(33)相连，所述循环管路(33)为氢氮合成气循环管线，所述氨分离设备(340)分离出来的氨通过氨输送管路(34)输出。

4.根据权利要求3所述的一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，所述的氢气压缩机(310)和氮气压缩机(320)可合并为氢氮混合气压缩机。

5.根据权利要求1所述的一种由低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的系统，其特征在于，所述的空气分离装置(200)包括变压吸附分离设备或深冷精馏设备。

6.一种采用权利要求1-5任一所述系统进行低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)低碳烷烃脱氢制备氢气：低碳烷烃与水蒸汽或氢气混合后，经过加热温度升高在500-650℃，进入所述脱氢反应设备(110)，得到包含对应低碳烯烃、烷烃和氢气的混合物，再进入所述氢烃分离设备(120)得到含有烯烃与烷烃的混合物以及高纯度氢气，高纯度氢气经过所述氢气输送管路(12)送出；

(2)制备低碳烯烃：从步骤(1)得到的烯烃和烷烃的混合物进入所述烯烷烃分离设备(130)，得到高纯度的低碳烯烃，经由所述烯烃管路(14)送出；

(3)空气分离制备氮气：空气进入所述空分装置(200)得到高纯度的氮气，经由所述氮气输送管路(22)送出；

(4)氨合成：步骤(1)得到的高纯度氢气进入氢气压缩机(310)，步骤(3)得到的高纯度氮气进入氮气压缩机(320)，高纯度氢气和高纯度氮气经压缩后进入氨合成反应器(330)，或者混合后升压到氨合成的反应压力后进入所述氨合成反应设备(330)，生成氨，再由所述氨分离设备(340)冷凝分离得到合成氨，由氨输送管路(34)输出高纯度的氨。

7.根据权利要求6所述的低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，所述低碳烷烃包括但不限于乙烷，丙烷，丁烷和戊烷。

8.根据权利要求6所述的低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，步骤(1)得到的氢气的纯度大于99.0％，步骤(3)得到的氮气纯度大于99.0％。

9.根据权利要求6所述的低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，所述低碳烯烃的纯度大于95.0％，所述氨的纯度大于99.5％。

10.根据权利要求9所述的低碳烷烃联产低碳烯烃和氨的方法，其特征在于，所述低碳烯烃的纯度大于99.5％。