CN101659396A - 利用改进的深冷净化制备氨合成气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供利用改进的深冷净化制备氨合成气的方法。公开了用于制备氨合成气的方法以及相关设备，其中所述原料合成气(13)在深冷部(CS)中净化，并且富氮液体流(30)在净化和HN比率调节过程中与所述原料合成气分离，并且其中所述液体流(30)的压力在透平机(60)中降低，从而提高了对于深冷部的净制冷效果。还公开了其中通过低压或高压合成气膨胀机提供冷却的实施方案。

Description

利用改进的深冷净化制备氨合成气的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备主要由氢和氮构成的合成气的方法和装置，所述合成气适合于合成氨。更详细地，本发明涉及其中来自烃转化的原料合成气进行深冷调节以获得所述合成气的方法和装置。
背景技术
氨合成气需要含有摩尔比(HN比率)约为3∶1的H2和N2，其中杂质尽可能低。在现有技术中，在氨合成工段的前端，通过烃原料的转化，通常通过天然气蒸气-转化，和/或用空气的部分氧化，而获得这样的合成气。
一般的现有技术方法包括：在第一(初级)蒸气转化器中进行，然后在使用空气进行工作的次级转化器中进行。利用空气将过量的氮引入，从而进入次级转化器，获得含有H2、过量N2以及一定量的CH4、CO、CO2、Ar和H2O的原料合成气，其中所述过量的氮是相对于氨合成下游所需的氮的量而言的。
在常规的CO变换、CO2移除和甲烷化处理步骤以及通常使用分子筛进行的进一步处理以完全移除H2O和CO2之后，所述原料合成气需要进行净化并且调节HN比。这是在合适的深冷部完成的，所述深冷部有利地包括分凝器，或在包括冷却塔和回流冷凝器的组件中完成的，或在被称作Braun PurifierTM的净化器或类似的已知设备中完成。在基本术语中，净化和HN调节移除过量的氮，以达到将HN比率平衡在约3∶1的值以进行氨合成所需要的程度，并且还显著地移除Ar和CH4。然后，将净化后的合成气进料到主压缩机中，将压力升高至适合用于氨合成工艺的值，通常是100-200巴。
在US 3,572,046中公开了常规的深冷净化工艺。深冷净化器由两个进料流出物(feed effluent)热交换器、气体膨胀机比如透平机、精馏塔和回流冷凝器构成；该工艺包括：原料合成气在所述气体膨胀机中自动制冷和膨胀，从而提供深冷部的净制冷并且保持整个深冷工艺处于热平衡。自动制冷，即，原料合成气被再加热中的净化合成气冷却，需要一些额外的制冷或净制冷以平衡总的热交换；这种净制冷由上述的原料合成气膨胀而提供。
还根据已知技术的是，将富氮液体流在塔的底部取出，并且通过冷凝物排泄阀(condensate let-down valve)被节流至降低的压力；然后，将所得的蒸气/气体混合物用于冷却回流冷凝器。
这种已知的工艺被广泛地使用，但是它并不是完全令人满意。在透平机或其它合适设备中，主入口甲烷化的气体流的气体工作膨胀对于保持深冷工艺运行是必不可少的；然而，它涉及合成气压力更低从而提高了下游主合成气压缩机的尺寸和成本的缺点。这个缺点之外，还需要提高上述工艺的总体效率，而且还涉及现有氨工段的修改或改造的考虑。
发明内容
本发明旨在提高如上所述的在氨工段的前端中氨合成用原料合成气的深冷净化的已知工艺的能量效率。
这个问题通过制备含有氢和氮的合成气的方法加以解决，所述合成气适合于制备氨，所述方法包括下列步骤：
a)从烃进料的转化获得含H2、N2和杂质的原料合成气流；
b)所述原料合成气流在深冷部被冷却至深冷温度，并且进行净化和HN比率调节处理，由此获得含有摩尔比约3∶1的H2和N2的净化合成气流，并且由此从所述原料合成气中分离出富氮液体流；
c)所述净化合成气流通过与冷却原料气流热交换而被再加热，并且使其可在适合于氨合成的压力下使用，
所述方法的特征在于，将所述富氮液体流在液体膨胀机中进行减压，从而从所述减压回收机械功，并且由所述减压产生的流被用作热交换介质，以提供所述深冷部的至少部分净制冷。
转化通常在初级转化器中利用蒸气进行，并且在次级转化器中利用空气进行，以及进一步进行变换、CO2移除、甲醇化以及H2O和CO2全部移除的步骤。所述烃通常是天然气。
使净化的合成气通常通过在合适的压缩部中压缩而可在氨合成所需的压力使用。然而，净化的合成气的压缩可以不一定利用在约70-80巴工作的高压前端，并且优选利用合适的高活性催化剂比如钌-基催化剂。
术语深冷温度根据在原料合成气的露点附近的温度而使用的，通常低于-100℃很多，并且典型地约-170℃(零下170度)。
术语液体膨胀机是根据适宜于使进入液体流从给定的进口压力减压至更低的出口压力从而也使进入流经历焓降并且回收对应量的机械功的任何设备而使用的。根据本发明的液体膨胀机包括通过富氮流的膨胀而工作并且适宜于将焓降转化为机械功的合适的移动部件，比如转子、活塞等。
优选地，所述液体膨胀机是透平机。膨胀机典型地是透平机，但可以使用其它设备。另一种设备的实例是正位移设备，比如反向螺杆式压缩机。正位移设备可以尤其是在使用本发明的小规模工厂中使用。在富N2液体流的膨胀过程中，可以在整个液体膨胀机中发生富N2液体流的部分或全部蒸发。
应当注意，与经由现有技术排泄阀(letdown valve)的高度不可逆压力减小(或叠加(lamination))相比，通过所述液体膨胀机进行的热动力学流体转变更接近于理想的可逆(等熵)转变。因此，Δ-温度典型地更高，意味着在相同的进口条件下，流在液体膨胀机出口处的温度(还有蒸气分数)低于现有技术的排泄阀的输出流的温度。制冷效果因此更大，并且以令人惊奇的方式，气体膨胀机可能更大地减少功率产生，甚至消除，因为液体流的膨胀对于整个深冷部的净制冷可能差不多足够或完全足够。
事实上，还发现，取决于特定的应用，由液体膨胀机产生的冷却可能足以提供所需的净制冷，并且保持整个深冷工序处于热平衡；在这个情况下，没有必要使用气体膨胀机，并且布置的复杂性小得多。
然而，根据本发明的另外方面，在深冷温度的净合成气的一部分在气体膨胀机中进行膨胀，以回收另外的机械功，并且以对深冷部提供进一步的制冷。净化合成气的所述部分遭遇由于膨胀本身所致的温降，并且在气体膨胀机的出口处的冷却流根据本发明的这个方面被用作热交换介质，以提供深冷部的部分净制冷。换言之，深冷部的净制冷通过所述合成气部分和液体流这两者的膨胀而给予的。通过采用液体膨胀机代替排泄阀而从富氮液体流获得的增强的制冷效果的有利之处在于：对于给定制冷能力，必需进行膨胀和再压缩的合成气更少。
具体地，本发明的一个实施方案提供在深冷温度的净化合成气的一部分在合适的气体膨胀机中被分离并且进行膨胀，其中进一步回收机械功。将所得到的膨胀流被用作热交换介质，以给深冷部提供部分净制冷。优选地，它然后被压缩并且在深冷部的出口以及主合成气压缩部的上游处与余下的气体流重新组合。
在另一个实施方案中，被主合成气压缩部释放的压缩的净化合成气的一部分被送回至深冷部，冷却至深冷温度，在合适的高压气体膨胀机中膨胀并且被用作热交换介质，以提供给深冷部的部分净制冷。优选地，所述高压气体膨胀机的出口与“新鲜”净化合成气流汇合，并且所得流被用作用于深冷部的制冷用的热交换介质。
优选地，比50％的净化合成气少的小部分被送往气体膨胀机。送往气体膨胀机的净化合成气的所述小部分优选按质量流量计为约15-30％，并且气体膨胀机的优选膨胀比为约1.5至5.0。被送往所述高压气体膨胀机的压缩的合成气的所述部分优选为10至20％。整个气体膨胀机的温降通常为约8-10℃。
在一个优选的实施(realization)中，净化和调节处理基本上为如下：进入深冷部的原料合成气在主热交换器中被冷却，降至深冷温度，然后它被进料至接触设备比如洗涤塔或分凝器；来自所述接触设备的蒸气在回流冷凝器中被进一步冷却并且送往分离器，在此获得富氮液体回流流和净化合成气流。所述回流流被送回到所述的洗涤塔，并且在所述塔的底部收集富氮液体流。
根据所述优选的实施以及上述的低压膨胀机的实施方案，部分净化合成气流，优选少于50％，被送往气体膨胀机，并且与其余净化合成气平行地经过所述回流冷凝器和/或主热交换器，从而提供所需的制冷。根据高压膨胀机的实施方案，来自分离器的净化合成气流与取自主合成气压缩机的释放中的合成气流汇合，在深冷部冷却并且在合适的气体膨胀机中膨胀；所得流被进料以使回流冷凝器和/或主热交换器制冷。
根据本发明的各种实施方案，可利用的制冷流是膨胀的富氮液体流，并且如果提供，是在低或高压膨胀的净化合成气部分。所述制冷流中的一股或多股可以绕过回流冷凝器，即，它们可以直接进料到深冷部的主热交换器。
优选地，主热交换器和回流冷凝器是在深冷部中的间接-交换管或板式热交换器单元。
本发明的一个目的还是一种用于制备含有氢和氮的合成气的装置，所述的合成气适合于制备氨，所述装置适宜于进行上述工艺。更具体而言，本发明的一个目的是一种装置，所述的装置至少包括：
-烃转化设备，所述的烃转化设备提供含有H2、N2和杂质的原料合成气流；
-深冷部，用于所述原料合成气流的净化和精馏，适宜于将所述原料合成气转化成含有摩尔比为约3∶1的H2和N2的净化合成气流，所述深冷部包含至少一个用于冷却原料合成气和再加热净化合成气的热交换器；
-任选地，主压缩机，所述的主压缩机被设置以用于接收来自深冷部的所述净化合成气并且适宜于将净化合成气的压力提高至适合用于氨合成的值；
并且所述装置的特征在于，所述深冷部包括被设置用于接收从原料合成气中分离出的富氮液体流的液体膨胀机，所述液体膨胀机回收机械功，所述液体膨胀机的输出与所述至少一个热交换器连接，以提供深冷部的至少一部分净制冷。
优选地，深冷部包括冷却进口原料合成气的主热交换器、接触设备比如洗涤塔、回流冷凝器和释放净化合成气流的分离器。深冷部可以进一步包括低压气体膨胀机，该低压气体膨胀机被设置用于将来自分离器的所述净化合成气流的一部分膨胀，所述膨胀机的输出与选自所述热交换器和回流冷凝器中的至少一个连接，从而提供深冷部的部分净制冷。备选地，深冷部可以包括高压气体膨胀机，该高压气体膨胀机用在主压缩机的输出侧取出的合成气的一部分进料。
本发明的一个目的也是对常规氨工段的或其前端的改造，以使其适宜于进行如上述公开的本发明方法。
具体地，本发明包括在氨工段的前端的常规深冷部中设置富氮液体流的上述液体膨胀机，或使用所述液体膨胀机代替现有膨胀阀。任选地，还可以安置合适的低压或高压气体膨胀机，以使所述的工段适宜于上述实施方案。
本发明的一个目的还是一种对原先没有设计深冷部的现有氨工段的改造的方法。在此情况下，所述方法的特征在于：设置根据本发明的适宜于移除原料合成气中的杂质并且调节HN比的深冷部。因此，提供一种用于改造现有氨工段的方法，所述工段包括用于制备包含氢和氮以及杂质的原料合成气的前端，所述方法包括：对所述现有的用于所述原料合成气的净化以及HN比率调节的氨工段添加新的深冷部，所述新的深冷部包括液体膨胀机，该液体膨胀机适宜于从富氮液体流回收机械功，所述的富氮液体流在所述深冷部与原料合成气分离。
现在论述本发明的主要优点。
与通过排泄阀的膨胀相比，经过液体膨胀机的富N2液体流的压降更接近于理想(可逆的)膨胀，因此对于给定压降，该膨胀具有更大的Δ-T。在给定进口温度和压力T1、p1和出口压力p2的情况下，经过透平机(或其它适宜于回收功的液体膨胀机)两端的液体流从p1至p2的膨胀导致比排泄阀两端的叠加(lamination)更低的温度T2(并且还导致更低的蒸气分数)。这是因为通过排泄阀的高度不可逆的膨胀将焓降转化成液体本身的内热并且-因此-T2更高。相反，液体膨胀机或透平机将可利用的焓转化成功，从而产生更低的输出温度T2。对于本领域技术人员清楚的是，术语Δ-T在此是根据差值T1-T2使用的。
更大的Δ-T给予从液体流获得的提高的制冷效果，因此得到深冷处理的改善效率。机械功的回收显然是相对于现有技术的另一个优点，现有技术中，排泄阀并不能获得功。
在所述液体流的膨胀足以提供所需的净制冷的情况下，即，在气体膨胀机不再是必需的情况下，通过本发明还实现了在成本和降低复杂性方面的显著优点。
根据上述的低压或高压气体膨胀机的实施方案，作为冷却介质的净化气体的部分的使用在不膨胀整个合成气流的情况下产生了另外的制冷，而这在现有技术中，涉及压缩机的尺寸和成本方面的缺陷。
令人惊奇地，整个深冷处理的效率更高，对于同样量的气体，在主合成气压缩机中的能量消耗需要更少，并且在整个热交换区域上提供的温差更大，意味着在与实际交换的热量相关的热交换器更小并且更廉价。
本发明还在对使用现有技术的方法工作的现有工段的改造方面具有优点。液体膨胀机的设置以及用于部分净化气体的气体膨胀机的可能设置使得在不需要增大比如膨胀机、压缩机和热交换器之类的物件的情况下提高了能力。
本发明的各个实施方案的进一步以及具体的优点以及其特征将由下面的详细描述以及在非限制性实例的附图的帮助下更清楚。
附图说明
图1是根据第一实施方案的适宜于实施本发明的方法的装置的简化示意图，在所述的第一实施方案中，深冷部的净制冷由富氮液体流提供。
图2是图1的设备的一种变体的示意图，其中部分净制冷通过部分合成气在低压膨胀而提供。
图3是图1的设备的一种变体的示意图，其中部分净制冷通过部分合成气在高压膨胀而提供。
图4是本发明的另一种变体的示意图。
具体实施方式
参考图1，在基于转化的氨工段中，将干燥的无CO2以及甲烷化的合成气流13进料到深冷部CS，用于深冷净化和HN比率调节。在所述深冷部CS获得净化合成气流20，其中HN比约为氨合成所需要的3∶1值。将流20经由主合成气压缩机(未显示)进料到氨合成部。
原料合成气13包含氢(H2)和氮(N2)，以及杂质和惰性物质比如氩和残留甲烷。根据熟知的技术，通过烃原料比如天然气在初级转化器中的第一蒸气转化，以及在次级转化器中使用空气的转化，以及变换、CO2移除和甲烷化的其它处理步骤，获得所述原料合成气13。次级转化器利用一些过量的空气进行工作，因而在原料合成气13中的氮相对于氨合成所需要的H2/N23∶1的摩尔比是过量的。以摩尔计，流13的所述N2过量优选在10％和50％之间，更优选15-30％。
深冷部CS通常由附图中的带点的边界线指示，并且根据本发明的不同实施方案，可以包括多个设备。
基本上，在深冷部CS中，在已经被干燥并且完成移除CO2的原料合成气13被冷却到深冷温度，例如约-170℃，从而获得流13a，该流13a通过冷凝的过量氮加上更少量的冷凝甲烷与氩的分离而净化为流14，并且从而形成富氮液体流30。CO2的移除对于避免CO2在深冷部的低温冷凝是重要的。
附图涉及实施方案，其中深冷部CS的主要部分是主热交换器HE1、回流冷凝器HE2、接触设备57和液体/蒸气分离器58，从而形成净化部56。净化合成气流14在所述分离器58的输出处获得。在所述实例中的接触设备57是洗涤塔、但是可以使用反流式冷凝器或“分凝器”。在塔57的底部收集富N2液体流30。
图1涉及第一实施方案，其中深冷部的净制冷完全由从原料合成气13分离出并且通过液体膨胀机比如透平机60的富氮液体流30的减压提供。图2和3涉及其中净制冷也由分别经过低压(LP)气体膨胀机300或高压(HP)气体膨胀机301的净化合成气中的一部分所提供。
再参考图1，合成气流13典型地以介于-30℃(零下30℃)和+40℃的温度进入深冷部CS，并且在主热交换器HE1中冷却至其露点或稍微低于其露点，从而获得在非常低的温度例如约-170℃的流13a，流流13a进入洗涤塔57。将富氮液体回流流13d从分离器58供给至塔57的顶部。来自塔57的塔顶蒸气流13b在回流冷凝器HE2中被冷却，从而获得冷却流13c，冷却流13c进入气/液分离器58。离开分离器58的底部的液体形成了上述的回流流13d。所述冷却的流13c的温度被控制在净化蒸气流14具有下游氨合成单元所需的接近3的HN比率时的水平。流13c的温度通常约-180℃，但可以取决于应用而变化。
来自分离器58的净化合成气流14形成了流14a，该流14a在回流冷凝器HE2中被加热至刚好比流13b的温度低的温度。然后，所得的流14b在主交换器HE1中进一步加热，从而获得温度刚好低于来自转化器的原料气流13的温度的流20。典型地，流20的压力在20和80巴之间，尽管可以使用更低或更高的压力。
离开洗涤塔57的底部的富氮液体流30被送至透平机60，在此其压力被典型地降低至低于5巴，从而获得膨胀的流31并且回收功W。
然后，所述膨胀的流31被引导经过在回流冷凝器HE2中的通道，在其中通过被加热至刚好比流13b的温度低的温度而部分地蒸发为流31a。然后，这种流31a经过主交换器HE1，在此它还达到了刚好比进料流13的温度低的温度。含有氮、甲烷和氩的输出流32被典型地用作工厂燃料。
对HE1和HE2的净制冷由加热成为流20的合成气流14a和由加热并且部分蒸发成为32的膨胀液体流31产生。应当指出，透平机69两端的温降补偿了制冷损耗，并且补偿了热交换器HE1和HE2所需要的Δ-T，因此保持整个深冷处理处于热平衡。
现在，转到图2，部分净制冷由净化合成气流14的一部分16的膨胀提供。优选地，按质量流量计，部分16是较小部分，为流14的15％和30％之间。
流16经过膨胀机300，以作为具有比进入流16的更低的压力和温度的流17离开。在膨胀机300的出口的压力典型地介于15巴和20巴之间，并且温降T16-T17典型地为约10℃，原因在于膨胀本身。
流17在冷凝器HE2中加热，从而获得温度刚好比流13b的温度低的流17a，从而完成HE2的热平衡。然后，流17a在主交换器HE1中被进一步加热，从而获得温度刚好低于进料流13的温度的流18，从而完成主热交换器HE1的热平衡。
如图所示，使其余的合成气部分14a还经过冷凝器HE2和主热交换器HE1，从而获得输出流20。
然后，经膨胀和再加热的流18被进料到辅助压缩机201，从而回收膨胀机300的压降，并且在此汇合输出流20，从而形成流21，所述流21是可用于下游的氨合成单元的全合成气。流21被直接进料到主合成气压缩机200，主合成气压缩机200产生在约100-200巴的高压流22，以用于下游的氨合成单元。压缩机200通常是多级单元。
气体膨胀机300接收低压的流14，这是与流22的压力相比。图2的LP气体膨胀机布置的特别有利之处是流17在净化步骤之后并且在深冷部CS的出口处，即，在主压缩机200的吸入侧，与其余的合成气(流20)再次汇合。这样避免了相同深冷部的进口流的稀释，并且使得深冷分离/净化更有效。另一个优点是进入深冷部的体积流没有增加，于是比如塔57和分离器58之类的物件更小并且较不昂贵。在改造的情况下，在不需要修改或替换深冷部CS的主要部件的情况下可以达到更大的能力。
图3是其中合成气的一部分123在更高压力下膨胀的另一个实施方案。
在深冷部CS的出口处的净化合成气121在主压缩机200中被压缩并且输出130在热交换器202中被冷却，从而获得高压合成气流131。所述合成气流131的部分123被送回到深冷部CS并且在交换器HE1和回流冷凝器HE2中冷却到深冷温度。然后，所得流124通过合适的HP气体膨胀机301膨胀；在所述膨胀机301的出口处的流125与来自分离器58的净化合成气流14汇合，从而形成流126，流126被进料至冷凝器HE2和主交换器HE1以作为制冷介质。优选地，流123的质量流量为流131的质量流量的10至20％。
气体膨胀机离开流125优选与流14混合并且没有任何限制。在系统123-124-125中的优选流量控制通过在膨胀机300中的进口导流叶片的调节。
这个HP气体膨胀机实施方案的优点在于不需要用于膨胀的合成气部分的另外压缩机(在图2中的压缩机201)。
优选地，LP膨胀机300(图2)或HP膨胀机301(图3)使用透平机实现，从而回收另外的机械功W’。
压缩机200可以不一定必需具有高压前端，所述的高压前端释放对于下游的氨部可接受的约70-80巴的压力的合成气流13。在这种情况下，图2的布置基本上相同，但取消了压缩机200。图4是修改成使用高压前端工作的图3的布置的实例。主合成气压缩机不一定是必需的；合成气部分123在压缩机210中被压缩，以补偿膨胀机301两端的压力损失，并且在交换器211中回收压缩热。
图2至4的布置的构件(features)与图1中具有相同附图标记的那些构件相同。具体地，进口原料合成气13被冷却成13a并且进料至塔57，从而获得蒸气流13b，其在回流冷凝器HE2中进一步冷却成13c，并且送往分离器58，同时富氮液体30在透平机60中被减压，并且经过冷凝器HE2和主交换器HE1被再加热。
交换器HE1和HE2的热平衡如下。在图1和2中，HE1使流13冷却为13a，同时HE2使流13b冷却为13c；对HE1和HE2这两者的制冷由分别在HE2中被加热为14b和在HE1被加热为20的流14a提供以及由流31成为31a和32的加热和可能蒸发而提供。在图2的实施方案中，由气体膨胀机300排放的流17提供进一步的制冷，所述流17经过HE2和HE1被加热成为17a和18。在图3中，交换器HE1和HE2也被用于冷却气体流123，并且通过在液体膨胀机的出口处的混合的流126和流31提供制冷。
应当注意，在本发明工艺方案的最冷点，即在热交换器HE2的冷侧，通过在液体膨胀机60中和任选在气体膨胀机300或301中的膨胀而提供另外的制冷。通过产物气体(从流14a至流14b)的主要部分的再加热以及通过在流31经过HE2成为流31a时流31的再加热和至少部分蒸发，提供用于回流冷凝器HE2的明显制冷。在图2和3这两者的方案中，液体流30的被提高的制冷效果将减少通过气体膨胀机300或301的需要流量，所述的被提高的制冷效果是使用液体膨胀机60获得的。
根据本发明，也能够使用回流冷凝器HE2的备选布置。可能的布置介绍如下。
在第一备选方案中，净化合成气流的部分14a绕过回流冷凝器HE2并且直接送至热交换器HE1。因此，对冷凝器HE2的制冷通过被加热为17a的流17提供以及通过流31的再加热和部分蒸发提供。
在第二备选方案中，流31绕过冷凝器HE2并且被送至主交换器HE1，因而HE2的制冷通过流14a和流17提供。
在第三备选方案中，在低压气体膨胀机300(图2)的出口处的合成气流17绕过冷凝器HE2。
在第四备选方案中，合成气流14a和液体流31都绕过冷凝器HE2，因而在HE2中的热交换是在净化合成气部分17和原料合成气13b之间进行，其中净化合成气部分17被再加热为17a，而原料合成气13b被冷却为13c。
本发明还涉及用于实施上述方法的装置以及用于以实施上述方法这样的方式改造氨合成气制备用常规设备的方法。
改造的方法包括至少提供在富氮液体管线中的液体膨胀机60，以代替现有的排泄阀(如果存在的情况)。
如果流31和31a足够提供深冷系统的净制冷，即，保持交换器HE2和HE1处于热平衡。所述改造可以包括绕过现有的气体膨胀机，或将现有的气体膨胀机移除，这样获得对应于图1的布置。
在进一步的实施方案中，改造方法旨在通过提供将净化合成气的部分16进料至LP气体膨胀机300的流动管线，或将压缩合成气的一部分进料至HP气体膨胀机301的管线123来获得图2至4中任一个的布置。在这两种情况下，LP或HP气体膨胀机可以是预先存在的气体膨胀机或新的气体膨胀机。
应当指出图1至4的示意图是简化的；附件和辅助物件比如阀、泵等都未显示，并且将根据已知的技术设置。
本发明还可应用于现有的氨工段的改造。具有用于处理原料合成气13的常规深冷部的氨工段可以根据图1至3的示意图中任何一个进行改造，即，设置膨胀机60，通常是代替现有的排泄阀，并且任选设置气体膨胀机300或301，以及设置相应的流动管线。没有用于处理原料合成气13的深冷部的氨工段可以通过设置根据本发明的一个实施方案的完全新的深冷部CS进行改造。
本发明能够应用于进一步的合成气生产技术，包括应用于非标准合成气制备比如气体-加热的对流式转化器。在另外的实施方案中，初级转化器可能不包括在所述工艺中。
实施例
下面的表1是基于图1的布置的实例。所述单元利用在1.2巴的废气(流32)处于热平衡，所述1.2巴类似于在SMR H2工段中的PSA单元的废气压力。
Figure G2009101635951D00131

Claims (15)

1.一种用于制备含氢和氮的合成气的方法，所述合成气适合于制备氨，所述方法包括下列步骤：
■由烃原料的转化获得包含H2、N2和杂质的原料合成气流(13)；
■将所述原料合成气流(13)在深冷部(CS)冷却至深冷温度并且进行净化和HN比率调节处理，由此获得包含摩尔比约3∶1的H2和N2的净化合成气流，并且由此从所述原料合成气(13)中分离出富氮液体流(30)；
■将所述净化合成气流通过与所述冷却原料气流热交换而再加热，并且使其可在适合于氨合成的压力下使用，
所述方法的特征在于：所述富氮液体流(30)在合适的液体膨胀机(60)中进行减压，从而从所述膨胀中回收机械功(W)，并且将从所述膨胀获得的流(31)用作热交换介质以提供所述深冷部(CS)的至少部分净制冷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述膨胀过程中至少部分蒸发所述富氮液体流(30)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中从所述减压获得的流(31)被用于提供所述深冷部(CS)的全部制冷。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在所述净化并且HN比率调节处理之后，在深冷温度的净化合成气的一部分(16)被分离，并且在合适的气体膨胀机(300)中进行膨胀，并且膨胀后的净化合成气流(17)被用作热交换介质以对所述深冷部(CS)提供部分所述制冷。
5.根据权利要求4所述的方法，其中净化合成气的所述部分(16)是较少部分，优选15-30％摩尔流量。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中由主合成气压缩机(200)释放的压缩的净化合成气的一部分(123)被送回到所述深冷部，冷却至深冷温度，在合适的气体膨胀机(301)中膨胀，并且所述气体膨胀机(301)的输出流(125)被用作热交换介质以提供所述深冷部的部分净制冷。
7.根据权利要求6所述的方法，其中压缩的净化合成气的所述部分(123)是由所述主压缩机(200)释放的总流量(130)的较小部分，优选10至20％摩尔流量。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述液体膨胀机(60)是透平机。
9.一种用于制备包含氢和氮的合成气的装置，所述合成气适合于氨的制备，所述装置适合于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种根据权利要求9所述的装置，所述装置至少包括：
-烃转化设备，以及用于变换反应、CO2移除、甲烷化和气体干燥的另外设备，从而提供含有H2、N2和杂质的原料合成气流(13)；
-深冷部(CS)，所述的深冷部(CS)用于所述原料合成气流(13)的净化和精馏，适合于将所述原料合成气(13)转化成包含摩尔比约3∶1的H2和N2的净化合成气流(20)，所述深冷部(CS)包含至少一个用于冷却原料合成气并再加热所述净化合成气的热交换器(HE1、HE2)；
并且所述装置的特征在于：所述深冷部(CS)包括被设置用于接收从所述原料合成气(13)中分离出的富氮液体流(30)的液体膨胀机(60)，所述液体膨胀机适合于从所述富氮流(30)的减压中回收机械功(W)，所述液体膨胀机的输出(31)与所述至少一个热交换器(HE1、HE2)连接，从而提供所述深冷部(CS)的至少部分净制冷。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述深冷部(CS)包括主热交换器(HE1)、接触设备(57)、回流冷凝器(HE2)和释放净化合成气流(14)的分离器(58)，并且所述深冷部(CS)还包括被设置用于使来自分离器(58)的所述净化合成气流(14)的一部分(17)膨胀的低压气体膨胀机(300)，所述膨胀机(300)的输出与所述热交换器(HE1)和回流冷凝器(HE2)中的至少一个连接，以提供所述深冷部(CS)的部分所述净制冷。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述深冷部(CS)包括主热交换器(HE1)、接触设备(57)、回流冷凝器(HE2)以及释放净化合成气流(14)的分离器(58)，并且所述深冷部(CS)还包括被设置用于使取自主合成气压缩机(200)的释放侧的净化合成气流(131)的一部分(123)膨胀的高压气体膨胀机(301)，所述主合成气压缩机(200)适合于将所述净化合成气的压力升高到适合于氨合成的值，所述膨胀机(301)的输出与所述分离器(58)的输出流动管线连接。
13.一种改造用于制备氨合成气的设备的方法，所述设备包括用于原料合成气(13)的净化和HN比率调节的深冷部(CS)，并且在所述深冷部(CS)中，富氮液体流(30)与所述原料合成气流(13)分离，所述方法至少包括以下步骤：为所述深冷部(CS)提供适合于从所述富氮液体流(30)回收机械功的液体膨胀机(60)，或使用所述液体膨胀机(60)代替现有的排泄阀。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括设置用于部分所述净化合成气流的低压膨胀机(300)或高压膨胀机(301)。
15.一种用于改造现有氨工段的方法，所述工段包括用于制备包含氢和氮以及杂质的原料合成气(13)的前端，所述方法包括为所述现有的氨工段添加新的深冷部(CS)，用于所述原料合成气(13)的净化和HN比率调节，所述新的深冷部(CS)包括液体膨胀机(60)，所述液体膨胀机(60)适宜于从在所述深冷部从所述原料合成气分离出的富氮液体流(30)回收机械功。
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