CN101948121A - 一种氨的合成工艺 - Google Patents

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宋鹏云
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Abstract

本发明公开了一种氨的合成工艺,尤其涉及一种充分利用合成氨反应热的合成工艺。包括氮氢气的压缩、氨合成反应和氨分离等单元过程,其特征在于用气轮机代替了传统工艺中的余热锅炉和锅炉给水加热器,出合成塔的高温高压气体进入气轮机获得膨胀功,并驱动多级压缩机,而且气轮机的输出功率远大于压缩机的功耗,即氨的合成工艺的动力自给有余。不但彻底改变了传统工艺中需向压缩机提供大量功耗的状况,还可向外输出动力或电能。另外,新的工艺流程大幅缩短,相应的工艺配管大量减少;合成高压圈的范围大大缩小,减小了设备的投资费用和运行管理费用。

Description

一种氨的合成工艺
技术领域
本发明涉及一种氨的合成工艺,尤其涉及一种充分利用合成氨反应热的氨的合成工艺。
背景技术
合成氨工艺一般包括造气、净化、合成和分离四大环节,其中氨的合成工艺是整个工艺过程的核心。氨的合成工艺主要由氮氢气的压缩、氨合成和氨分离等几个单元组成。即将精制的氢氮气部分合成为氨,并采用冷却、冷冻的方法将氨分离出来而得到液氨产品。由于经合成塔一次合成的氨的产率并不高,通常把氨分离后的氮氢气(称为循环气)与新鲜氮氢气混合,然后进行压缩和加热,再进入合成塔进行合成反应。由于氨合成在较高温度下进行,且氨的合成反应为放热反应,因此氨合成后的混合气体为高温高压气体,氨分离则必须在低温(常在0℃以下)下进行,因此氨的合成工艺过程总是伴随着升温——降温——升温……,这导致了存储于工艺气体中的大量势能和内能的损失,俗称为“冷热病”。
在目前工业化技术的氨合成条件下,氨合成塔的出塔气体温度达450~550℃,理论计算和工程实践表明,在450℃时,每生成1Kmol的氨,可以放出54.5MJ的热量。对于年产50万吨的合成氨装置,每小时有224GJ的反应热可以利用。如今普遍采用的是通过副产蒸汽或加热锅炉给水回收热量,然后由锅炉提高品位后产生高压蒸汽,通过蒸汽透平驱动合成氨装置的离心式压缩机。工艺中的热功转换,实际上是通过换热给另一种工质——水,水作为载热体完成整个循环。这种水-蒸汽-水的间接循环方式未能充分地利用合成氨反应热,因此提高反应热的利用效率,是氨合成工艺发展的一个重要方向。
专利号为200710139645.3的专利“利用合成氨放空气势能发电的方法”,公开了一种合成氨放空气的势能利用方法,实施例中显示在年产24万吨合成氨规模下,将这一部分势能所发的电重新投入合成氨生产中,则每生产1吨液氨可以节电33度,降低电耗2.3%。然而在合成工序中,放空气仅是合成循环气中的很小一部分,更多的工艺气体在经历氨分离后重新压缩升温进入合成塔,大量的反应热以合成循环气的分子动能和势能为载体,因此不仅可利用放空气的势能,而且有更多的循环气内能可供利用。
发明内容
本发明提出的氨的合成工艺,旨在克服现有技术之不足,提供一种高效利用氨合成反应热的方法。
本发明的技术方案是,氨的合成工艺包括氮氢气的压缩、氨合成和氨分离单元过程,其特征在于:从氨合成塔(1)出来的高温高压气体进入气轮机(2)获取膨胀功,同时降低温度和压力;从气轮机(2)出来的气体经过热交换器(3)冷却,降低温度并回收热量;经冷却后的气体进入氨分离单元(4)实现氨与氮氢气的分离;经氨分离后的氮氢气与新鲜氮氢气混合进入压缩单元(5)提高压力;经压缩达到压力要求的氮氢气经过热交换器(3)加热进入氨合成塔(1)进行氨合成,或经压缩达到压力要求的氮氢气直接进入氨合成塔(1)进行氨合成;
上述从氨合成塔(1)出来的气体压力为15Mpa~80Mpa、温度为400℃~650℃;从气轮机出来的气体,压力降至1.8Mpa~10MPa,温度降至150℃~300℃,之后进入热交换器冷却至40℃~250℃,压力为1.7Mpa~9.9Mpa;经氨分离后的氮氢气压力为1.6Mpa~9.7MPa,温度为-5℃~60℃;经过压缩单元(5)的氮氢气,压力提高到15Mpa~80MPa,温度为60℃~200℃。
氨分离单元(4)采用吸收式氨分离方式。
气轮机(2)获得的机械功,直接用于驱动压缩单元(5)的压缩机(5.1)、(5.2),并与动力平衡单元(6)连接实现动力与负载的平衡。
依据气轮机(2)获得的机械功与压缩单元(5)的压缩机所需要的机械功比较,动力平衡单元(6)为负载或动力。
本发明从氨合成塔中出来的高温高压气体,直接进入气轮机膨胀做功,降低压力和温度,获取的机械功作为动力直接驱动用于压缩氮氢气的压缩机。由合成氨的前序工段提供符合要求的氮氢气(包括微量杂质气体,称为新鲜气),与氨分离后的氮氢气(称为循环气)混合进入压缩单元进行多级压缩,继而进入热交换器加热到工艺要求的温度,最后进入合成塔开始合成反应,并由于反应热的释放进一步提高气体的温度。由于合成反应是可逆的,单次反应只能合成约12%~22%的氨,出塔的混合气中还含有大量可循环利用的氮气和氢气。高温高压状态下的出塔混合气进入气轮机,气体内能直接转化为机械能,驱动压缩单元的压缩机。压缩单元由多级压缩机以及级间冷却器组成,气轮机同时带动压缩机(5.1)、(5.2)。经过计算,正常情况下,气轮机的输出功远大于驱动压缩机所需功耗,因此气轮机还可以输出一定量的净功,用以驱动其它负载,如驱动发电机发电。从气轮机出来的混合气体(氮氢气、氨和其它杂质气体),温度和压力大幅降低,继而进入热交换器的热侧,被冷侧的气体进一步冷却后,进入氨分离单元。在氨分离单元中,混合气体被进一步冷却,然后采用公知的工质吸收、吸附或冷冻冷凝的方式,把氨从混合气体中分离出来。氨分离后的气体(循环气)与新鲜氮氢气混合,进入压缩单元,便完成了一次“压缩——合成——膨胀做功——氨分离——压缩”的循环。
气轮机的输出功与压缩单元的功耗存在不平衡,因此设置动力平衡单元,在动力不足时(开车、生产不稳定等情况)输入动力,在动力过剩时作为负载消耗动力。输入动力的机械如电机、汽轮机、燃气轮机等,消耗动力的机械如发电机、冰机、空压机等。
相比传统氨合成工艺,本发明所公开的氨的合成工艺有如下优点。首先,本工艺提高了氨合成反应热的利用率,将其通过气轮机直接转化为膨胀功,膨胀功直接供给压缩单元的压缩功耗,自给有余,彻底改变了传统氨合成工艺大量消耗外源提供压缩功耗的状况。其次,本工艺中压缩机由气轮机驱动,工艺流程大幅缩短,相应的工艺配管也大量减少,尤其是合成氨反应热的传递无需再传给中间介质水,做功工质即为工艺气体。传统流程中,锅炉给水在预热器中吸收合成氨反应热后送至锅炉,锅炉继续加热产生蒸汽送至透平驱动氮氢气压缩机,透平出来的低压蒸汽经过冷凝回收为锅炉给水,吸收合成氨反应热后送回锅炉。热力管网很长,公用工程投资费用高昂,且热损失很大。再次,本工艺使氨合成高压圈范围大大缩小,驱动气轮机导致工艺气体的温度和压力都大幅下降,所以自气轮机后,都变成了中、低压设备,设备投资和运行管理费用均大为节省。
附图说明
图1是本发明实施例工艺流程示意图;
图2是本发明实施例压缩单元工艺流程示意图;
图1中的标记分别为:氨合成塔1,气轮机2,热交换器3,氨分离单元4,压缩单元5,动力平衡单元6;
图2中的标记分别为:低压压缩机5.1,高压压缩机5.2,级间冷却器5.3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述。一种氨的合成工艺如图1所示,包括氨合成塔1,气轮机2,热交换器3,氨分离单元4,压缩单元5,动力平衡单元6。由合成氨的前序工段提供符合要求的氮氢气(包括微量杂质气体,称为新鲜气),与氨分离后的氮氢气(称为循环气)混合进入压缩单元5进行多级压缩,继而进入热交换器3加热到工艺要求的温度,最后进入氨合成塔1进一步加热,进行氨合成反应,并由于反应热的释放进一步提高了气体的温度。由于合成反应是可逆的,出塔的混合气中还含有大量可循环利用的氮气和氢气。高温高压状态下的出塔混合气进入气轮机2,气体内能直接转化为机械能,驱动与之共轴的压缩单元5的压缩机。压缩单元5如图2所示,由低压段压缩机5.1、高压段压缩机5.2和级间冷却器5.3组成,压缩机由气轮机2共轴驱动。从气轮机出来的混合气体(氮氢气、氨和其它杂质气体),温度和压力大幅降低,继而进入热交换器3的热侧,被冷侧的气体进一步冷却后,进入氨分离单元4。在氨分离单元4中,混合气体被进一步冷却,然后采用公知的工质吸收方式,把氨从混合气体中分离出来。氨分离后的氮氢气(循环气)与新鲜氮氢气混合,进入压缩单元,便完成了一次“压缩——合成——膨胀作功——氨分离——混入新鲜氮氢气——压缩”的循环。
在进入氨合成系统新鲜氮氢气中,含有微量的甲烷、氩等杂质气体,这些杂质气体进入氨合成系统并不断累积,会占据有效空间,必须加以弃除。本实施例采用公知的排放驰放气的方法,把系统中杂质气体成分控制在一定限度内。
气轮机的输出功与压缩单元的功耗存在不平衡,因此设置动力平衡单元,在动力不足时(开车、生产不稳定等情况)输入动力,在动力过剩时作为负载消耗动力。本实施例中,动力机采用燃气轮机,燃气为氮氢气或煤气;负载为发电机,输出电力。
上述从氨合成塔(1)出来的气体压力为15Mpa~80Mpa、温度为400℃~650℃;从气轮机出来的气体,压力降至1.8Mpa~10MPa,温度降至150℃~300℃,之后进入热交换器冷却至40℃~250℃,压力为1.7Mpa~9.9Mpa;经氨分离后的氮氢气压力为1.6Mpa~9.7MPa,温度为-5℃~60℃;经过压缩单元(5)的氮氢气,压力提高到15Mpa~80MPa,温度为60℃~200℃。
本实施例最佳工艺参数如下:压力为18.2Mpa、温度为500℃的出塔混合气体直接驱动气轮机,由此带动与气轮机共轴的高压段压缩机以及低压段压缩机。出气轮机的气体压力降至3.0MPa,温度降至250℃,之后进入热交换器的热侧,被冷侧的气体进一步冷却至180℃,压力为2.9MPa。氨分离后的循环气和新鲜气的压力为2.7MPa,温度为40℃。氮氢气进入低压段压缩机,增压至16MPa,温度为120℃,经级间冷却器冷却至60℃,进入高压段压缩机继续增压至18.5MPa,温度为80℃。继而流入热交换器的冷侧,温度升至140℃,进入合成塔进一步升温、进行合成反应。
本实施例的热功参数如下:进入合成塔总气量为540000Nm3/h(标准立方米/小时),循环气量为361063.5Nm3/h,补充新鲜气量为178937Nm3/h,入塔氨浓度为2%,出塔氨浓度为22.3%,氨产量为67.9t/h。出合成塔气体组成为H258.3%,N219.4%,NH322.3%,体积流量为450531.76Nm3/h,平均分子量为10.39Kg/Kmol,质量流量为58.058Kg/s,气轮机效率为78%,气轮机输出功率为37069.9KW。压缩机气量按全气量540000Nm3/h计算,由2.7MPa压缩至18.5MPa,压缩机效率为72%,功耗为21102.0KW。如此,压缩机的功耗仅占气轮机输出功率的56.9%,即有43.1%的净功输出。本实施例输出净功用于发电,发电功率为14371.1KW。
本发明的实施方式不限于本实施例,如气轮机可以是单台,也可以由多台组成;压缩单元的压缩机也可以为单台或多台;压缩机不限于高压段和低压段,总压缩比较大时可分为更多段,并相应地配置更多的级间冷却器;可以由单台气轮机与高压压缩机和低压压缩机共轴传输动力,也可对气轮机进行分级,由高压气轮机带动共轴的高压压缩机,从高压气轮机出来的气体进入低压气轮机,由低压气轮机带动共轴的低压压缩机。各机械之间的动力传递可以采用共轴或齿轮等方式。

Claims (4)

1.一种氨的合成工艺,包括氮氢气的压缩、氨合成和氨分离单元过程,其特征在于:从氨合成塔(1)出来的高温高压气体进入气轮机(2)获取膨胀功,同时降低温度和压力;从气轮机(2)出来的气体经过热交换器(3)冷却,降低温度并回收热量;经冷却后的气体进入氨分离单元(4)实现氨与氮氢气的分离;经氨分离后的氮氢气与新鲜氮氢气混合进入压缩单元(5)提高压力;经压缩达到压力要求的氮氢气经过热交换器(3)加热进入氨合成塔(1)进行氨合成,或经压缩达到压力要求的氮氢气直接进入氨合成塔(1)进行氨合成;
上述从氨合成塔(1)出来的气体压力为15Mpa~80Mpa、温度为400℃~650℃;从气轮机出来的气体,压力降至1.8Mpa~10MPa,温度降至150℃~300℃,之后进入热交换器冷却至40℃~250℃,压力为1.7Mpa~9.9Mpa;经氨分离后的氮氢气压力为1.6Mpa~9.7MPa,温度为-5℃~60℃;经过压缩单元(5)的氮氢气,压力提高到15Mpa~80MPa,温度为60℃~200℃。
2.根据权利要求1所述的氨的合成工艺,其特征在于:氨分离单元(4)采用吸收式氨分离方式。
3.根据权利要求1所述的氨的合成工艺,其特征在于:气轮机(2)获得的机械功,直接用于驱动压缩单元(5)的压缩机(5.1)、(5.2),并与动力平衡单元(6)连接实现动力与负载的平衡。
4.根据权利要求1所述的氨的合成工艺,其特征在于:依据气轮机(2)获得的机械功与压缩单元(5)的压缩机所需要的机械功比较,动力平衡单元(6)为负载或动力。
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