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CN110088042B - 一种用于合成氨的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于由补充气体合成氨的双加压方法,其中使所述补充气体以串联的两步骤反应,第二步骤在比第一步骤更大的压力下操作,并且其中将第一步骤的流出物的一部分再循环回到第一步骤,所述部分含有未反应的补充气体。

Description

一种用于合成氨的方法
技术领域
本发明涉及由含有氢气和氮气的补充气体合成氨的领域。具体地,本发明涉及用于合成氨的双加压方法。
背景技术
通过在高压下催化转化包含氢气(H2)和氮气(N2)的补充合成气来以工业水平合成氨。
所述补充气体在前端区段中通过重整合适的烃原料诸如天然气产生。所述前端区段包括例如重整区段和净化区段。重整区段可包括初级重整器和次级重整器;净化区段通常包括一个或多个变换炉、二氧化碳去除区段和甲烷化区段。
净化的补充气体以远低于合成压力的压力获得,并且在合适的气体压缩区段中、通常通过多级压缩机升高到合成压力。然后将压缩的补充气体供应到合成区段,在合成区段中将其转化为氨。合成区段通常包括在约80-300bar压力下操作的合成回路。
补充气体包含摩尔比为约3 : 1的H2和N2,以及少量的非反应组分,诸如甲烷(CH4)和氩气(Ar),所述非反应组分阻碍转化率并且将被称为“惰性气体”。它们在合成回路循环气体中积聚,并且通过从回路中抽取出吹扫气流来控制它们的浓度。
为了减少与高浓度惰性气体相关的缺点,已经提出了双加压法,其中氨在以增加的压力操作的串联的第一回路和第二回路中合成。第一合成回路通常包括变换炉、冷却器-冷凝器和氨分离器。在双加压氨工艺的现有技术中,第一合成回路的变换炉是单程的。EP 1339 641中公开了一个实例。
在传统的双加压氨工艺中,大部分氨(通常超过60%)在第二回路中合成。然而,当需要增加容量时,第二回路可能达到其极限并成为瓶颈。此外,控制第一合成回路的变换炉出口处的温度是困难的,并且变换炉下游的设备暴露于氮化的风险。
发明内容
本发明旨在提供改进的双加压氨工艺。具体地,本发明旨在提供在第一合成回路的变换炉之后具有增加的容量和更佳的温度控制的方法。术语“容量”应理解为生产或可生产的氨的量。
这些目的通过根据用于由补充气体合成氨的方法实现。补充气体包含摩尔比为约3 : 1的氢气(H2)和氮气(N2)。
所述方法包括在第一压力P1下的第一反应步骤和在大于第一压力的第二压力P2下的第二反应步骤,其中:第一反应步骤提供含有氨的产物流和含有未反应的补充气体的气态流出物;对所述气态流出物的第一部分进行所述第二反应步骤,并且将所述气态流出物的第二部分再循环到所述第一反应步骤。
优选地,所述方法包括将第一反应步骤的气态流出物从所述第一压力P1压缩至所述第二压力P2的步骤,并且根据不同的实施方式,在所述压缩步骤之前或之后提取气态流出物的第二部分。所述第二部分也称为再循环部分。
优选地,所述第一压力P1的范围在60bar与130bar之间,而所述第二压力P2的范围优选在150bar与280bar之间。
根据本发明的第一实施方式,在所述压缩阶段之前提取气态流出物的第二部分并且通过喷射器再循环到所述第一反应步骤,其中动力流体通过收缩而加速,从而产生凹陷并因此吸入所述再循环部分。
优选地,所述动力流体是供料第一反应步骤的补充气体。因此,充当动力流体的补充气体和含有未反应的补充气体的再循环部分混合在一起,以向所述第一反应步骤提供输入流。
根据该实施方式,仅部分地对第一反应步骤的气态流出物进行所述压缩步骤。优选地,将该气态流出物分成第一部分和第二部分;将所述第一部分供应至所述压缩步骤,并且对如此获得的压缩流进行第二反应步骤,而将第二部分再循环回到所述第一反应步骤。
根据本发明的第二实施方式,在所述压缩阶段之后提取气态流出物的第二部分并且直接再循环到所述第一反应步骤。术语“直接”表示在不进一步压缩下,例如,在没有经过喷射器的情况下,将所述第二部分再循环回到第一反应步骤。
优选地,所述再循环部分与补充气体混合,从而形成到第一反应步骤的输入流。
根据该实施方式,对第一反应步骤的气态流出物完全或基本上完全进行所述压缩步骤,并且将如此获得的压缩流提供用于所述第一部分和所述第二部分。
优选地,通过在压缩机内将补充气体流压缩至第一压力P1来获得上文所确定的补充气体。所述补充气体流优选通过在前端区段中重整烃原料并随后纯化而获得,并且所述压缩机适合于将所述补充气体流从约15-30bar的前端压力加压到约60-130bar的第一压力。
根据优选的实施方式,第二反应步骤产生含有氨的产物流和主要含有氢气、氮气和惰性气体的吹扫气体流。对所述吹扫气体流优选进行回收过程,所述回收过程将氢气分离为含氢气流。
根据一些实施方式,将所述含氢气流与补充气体混合,并且将所述混合在压缩机的吸入侧或输送侧进行,从而将补充气体的压力从前端压力升高至第一压力P1
双加压氨装置也是本发明的目的。
所述装置包括在第一压力P1下操作的第一合成回路和在大于第一压力的第二压力P2下操作的第二合成回路,其中:第一合成回路提供含有氨的产物流和含有未反应的补充气体的气态流出物;第一管线被布置为向所述第二合成回路供应所述气态流出物的第一部分,并且第二管线被布置为使所述气态流出物的第二部分再循环到所述第一合成回路。
第一合成回路优选包括至少一个变换炉、冷却器-冷凝器和氨分离器。根据本发明,所述至少一个变换炉作为再循环变换炉而不是单程的。
本发明的另一个目的是用于改造现有双加压氨装置的方法。
本发明的第一个优点是第一合成回路中的氨产生增加和第二合成回路的相关减负。这导致对于给定尺寸的设备的装置容量增加。
另一个优点是更好地控制第一回路的变换炉的出口温度。因此,所述变换炉下游的氮化风险显著降低。
现在借助于优选且非限制性实施方式的以下描述阐明本发明。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的用于由补充合成气合成氨的装置的示意图。
图2是图1的装置的变型。
图3更详细地示出了第一合成回路。
具体实施方式
图1的装置基本上包括第一压缩机1,其将补充气体的压力从前端压力升高到第一压力P1;第一氨合成回路2;第二压缩机3,其将第一回路2的流出物的压力升高到第二压力P2;第二氨合成回路4;吹扫气体回收区段5和喷射器6。第一回路2在压力P1下操作并且第二回路4在压力P2下操作。
所述第一压力P1优选在60-130bar的范围内,并且所述第二压力P2优选在150-280bar的范围内。
将补充气体10在第一压缩机1中压缩至压力P1。所述补充气体10在装置的前端区段(未示出)中,例如通过在显著低于压力P1的压力(例如约15-30bar)下重整烃原料获得。
将如此压缩的补充气体11与从所述吹扫气体回收区段5中提取的含氢气流21混合,从而获得气流12。
所述气流12和从第一合成回路2的流出物15再循环的气流15b供应到喷射器6(在其中它们混合在一起),从而形成到所述第一合成回路2的输入流13。所述气流12作为动力流体工作以吸入气流15b并将其供应到第一回路2。
如此获得的流13进入第一合成回路2,其提供液氨产物14和含有未反应的补充气体的气态流15。如图3所示,所述流13进入变换炉7,所述变换炉7提供含有氨和未反应的补充气体的部分反应的气态流24。所述气态流24在冷却器-冷凝器8内冷却,在其中氨部分冷凝以提供混合物25。所述混合物25随后进入氨分离器9,在其中液氨产物14与气相15分离。所述气相15还含有未在冷却器-冷凝器8中冷凝的氨。
所述气相15分成两个部分15a、15b。将第一部分15a供应到第二压缩机3,在其中它被压缩至压力P2,从而提供加压流16,并且将第二部分15b再循环回到第一压缩机1的输送侧从而在第一合成回路2中进一步反应。
将所述加压流16供给到第二合成回路4,在其中它进一步反应以提供氨产物17和吹扫气体18。
将所述吹扫气体18从合成回路4连续地抽取出以限制惰性气体的积聚并将其送至回收单元5。所述吹扫气体18含有一些氨,其优选在所述回收单元中作为氨溶液19回收。
所述吹扫气体回收单元5还将惰性气体20与含氢气流21分离,将所述含氢气流21再循环到第一压缩机1的输送侧,与补充气体11混合,从而形成气流12。
可替选地,从所述吹扫回收单元5回收的氢气可以再循环到第一压缩机的吸入侧。在第一压缩机1的输送侧还是吸入侧再循环氢气21取决于含氢气流从吹扫回收单元5排出所在的压力。
图2示出了图1的装置的变型。与图1的装置共同的设备和流动线路用相同的附图标记指示。
根据该实施方式,将从第一合成回路2提取的气相15完全供应在第二压缩机3中,从而提供加压流16。
所述流16分成两个部分16a、16b。将第一部分16a供给到第二合成回路4,并且将第二部分16b再循环回到第一压缩机1的输送侧。所述第二部分16b与气流12混合,从而形成到第一合成回路2的输入流23。在这种情况下,由于流16b的较高压力,不需要喷射器6。

Claims (8)

1.一种用于由补充气体(11)合成氨的方法,所述方法包括在第一压力(P1)下的第一反应步骤和在大于所述第一压力的第二压力(P2)下的第二反应步骤,其中:
所述第一反应步骤提供含有氨的产物流(14)和含有未反应的补充气体的气态流出物(15);
对所述气态流出物的第一部分进行所述第二反应步骤,并且
将所述气态流出物的第二部分再循环到所述第一反应步骤,
所述方法还包括将所述第一反应步骤的所述气态流出物从所述第一压力(P1)压缩至所述第二压力(P2)的步骤,其中在所述压缩步骤之前提取所述第二部分并且通过喷射器(6)再循环到所述第一反应步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述补充气体(11)作为所述喷射器(6)内的动力流体工作。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述补充气体(11)与所述第二部分在所述喷射器(6)内混合,形成到所述第一反应步骤的输入流(13)。
4.根据权利要求1所述的方法,所述第二反应步骤提供含有氢气的吹扫气流(18)并且将所述吹扫气流(18)引导至吹扫气体回收单元(5),在所述吹扫气体回收单元(5)中所述氢气的至少一部分被分离为含氢气流(21)。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述含氢气流(21)与所述补充气体(11)混合。
6.一种用于由补充气体(11)合成氨的装置,所述装置包括在第一压力(P1)下操作的第一合成回路(2)和在大于所述第一压力的第二压力(P2)下操作的第二合成回路(4),其中:
所述第一合成回路(2)提供含有氨的产物流(14)和含有未反应的补充气体的气态流出物(15);
第一管线被布置为向所述第二合成回路(4)供应所述气态流出物的第一部分,并且
第二管线被布置为使所述气态流出物的第二部分再循环到所述第一合成回路(2),
所述装置还包括压缩机(3),其中所述气态流出物被从所述第一压力(P1)压缩至所述第二压力(P2),并且所述第二管线处于所述压缩机(3)的吸入侧;和将所述气态流出物的所述第二部分进料到所述第一合成回路(2)的喷射器(6)。
7.一种用于改造用于由补充气体(11)合成氨的装置的方法,所述装置包括:
在第一压力(P1)下操作的第一合成回路(2),其中所述补充气体(11)反应,提供第一产物流(14)和含有未反应的补充气体的气态流出物(15);
在大于所述第一压力的第二压力(P2)下操作的第二合成回路(4),其中所述气态流出物反应,提供第二产物流(17);
压缩机(3),其中将所述气态流出物从所述第一压力(P1)压缩至所述第二压力(P2),
所述方法的特征在于:
用于将所述气态流出物的一部分再循环到所述第一合成回路(2)的管线的安装,所述管线安装在所述压缩机(3)的吸入侧处;并包括将喷射器(6)安装在所述第一合成回路(2)的入口处。
8.根据权利要求7所述的方法,将所述喷射器(6)安装在所述补充气体到所述第一合成回路(2)的进料管线上,从而使所述补充气体充当所述喷射器(6)中的动力流体。
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