CN102770372B - 利用基于氮气对净化气流洗涤改造氨合成设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制取氨的工艺方法及其设备，其中，ASU(3)供应氧气流和氮气流；氧气流(9)被送入前端转化段(1)中的二段转化炉；氮气流(10)用于洗涤取自合成回路(2)的净化气或尾气，优选在深冷段中进行；不含甲烷且不含惰性气体的气流被回收并再循环至合成回路(2)或主合成气压缩机的吸入口处以回收其中含有的氢气。一种用于增大氨合成设备的产能的相应方法，其通过提供ASU以及将氧气流送至二段转化炉并将氮气流送至适当的净化气回收单元进行的。

Description

利用基于氮气对净化气流洗涤改造氨合成设备的方法
技术领域
本发明涉及对通过碳氢化合物(例如天然气)蒸汽转化来制取氨的氨合成工艺方法和设备的改进。
背景技术
在高压合成回路中，氢气和氮气发生催化反应制取氨。已知的技术是，将补充合成气送入所述的高压回路，通过碳氢化合物原料的蒸汽转化获取的补充合成气主要组成为适当摩尔比的氢气(H2)和氮气(N2)，所述的碳氢化合物原料通常是天然气(甲烷)或石脑油。
在氨合成设备的前端段获取合成气，氨合成设备主要包括一段转化炉、二段转化炉、冷却/变换炉、脱除CO2段、甲烷化段及合成气压缩机。
通常在15巴至35巴的压力范围内以及约800℃的高温下，一段转化炉使蒸汽以及经脱硫的碳氢化合物原料(例如天然气或天然气替代物(SNG))通过经过适当的催化剂转化为一种混合气，其组成为一氧化碳、二氧化碳和氢气。该反应在大量的催化管中进行，通过燃料燃烧从外部加热所述催化管。
所述混合气转到二段转化炉，该二段转化炉在过量空气的条件下运行以获得所需的H2/N2摩尔比(HN比)，因此其还接收来自合适的空气压缩机的空气流。
从二段转化炉出来的转化气在大量的下游设备中被进一步处理，以去除碳氧化物并获取适于合成氨的混合物(即HN比接近3)。常见设备包括：CO变换炉，其中，转化气中含有的大部分一氧化碳与未反应的蒸汽发生催化反应，转化为二氧化碳及氢气；CO2洗涤塔，其中，通过用一种适当的溶剂(例如氨或者碳酸钾的水溶液)对所述转化气进行洗气来几乎完全地除去二氧化碳含量；甲烷化炉，其中，为避免对下游的氨合成催化剂产生抑制，残留的碳氧化物被催化转化为甲烷。
接着，合成气的压力通过主合成气压缩机增至氨合成回路的工作压力，该工作压力一般在80巴至300巴的范围中且通常在150巴左右。
US5736116公开了一种安装空气分离单元的改装方法，所述空气分离单元提供富氧气流和富氮气流。富氧气流用于增加二段转化炉中的空气原料及的大幅增加在设计的化学计量值及能力之上的补充气中的氢气含量；富氮气流供应至合成回路，以获得送入氨转化炉中的合成气所需的氢氮比并补偿补充气中的过量氢气。
改装或提升氨合成设备引起大量与流量增加有关的问题。一段转化炉的容量与该转换炉本身的尺寸以及其管子的数量密切相关；选择安装附加的管子一般是不可能的或者非常有限；可以安装附加的预转化炉，但是其价格昂贵并只能提供10％-15％的优势。还需要将更多的氧气供应至二段转化炉，且必须增大现有的空气压缩机的容量。选择在现有的空气压缩机上安装新的内件或者再提供一个压缩机与现有的空气压缩机并联都是昂贵的。将一增压机即用来增加压力的预压缩机安装在主空气压缩机的入口较不昂贵但效率不高。流量的增大也需要与前端的各种设备相适应，例如CO2脱除装置、甲烷化炉等，如果这些设备中任意一个需要整改，这可能需要大量成本。
合成气压缩机的容量也是一个关键点及潜在瓶颈。安装任一增压机或者附加的压缩机一般并不令人满意，这是因为任一添加装置发生故障可能危及整个设备的可靠运行并可能导致主压缩机严重损坏。通常优选的是，更换压缩机及涡轮机的内件，但该介入措施费用昂贵。
另一个问题是惰性气体可能积聚在合成回路中。合成回路通常是在存在至少对于氨合成反应而言为惰性的气态化合物或惰性气态物质(例如甲烷和氩气)下工作的。惰性气体的积聚意味着流量增加，转化率降低。当产能增大时，这个问题相应地与之更加密切相关。所述惰性气体在从合成回路提取的氨中溶解度低，避免其积聚的唯一方法是净化一部分合成气。现有技术中，所述的净化气通常在特定的袋子(例如膜包装袋或冷包装袋)中被处理以回收其中含有的氢气，或者，所述的净化气用做燃料。
试图就主要设备(例如转化炉或压缩机)的大小来增加总产能，不仅在改造现有氨合成设备而且在设计新合成装置时，会出现以上提到的问题。
现有技术仅解决了上述问题的一部分。本发明目的在于提供了更好和/或更方便地将空气分离单元结合于制备氨的工艺/设备。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种制取氨的工艺方法，其中：通过对碳氢化合物源蒸汽转化制取补充合成气，蒸汽转化包括一段转化及二段转化的步骤以及变换、脱除CO2及甲烷化的进一步处理步骤；补充合成气经压缩并在高压合成回路中反应以制取氨；空气进料经空气分离过程成为氧气流及至少一氮气流，所述氧气流直接送入所述二段转化炉中以提供附加的氧化剂；从所述空气分离过程中获取的氮气流用于处理含惰性气体的净化气流，因此获得一种含氢气且基本不含惰性气体的循环气流，所述循环气流循环至合成回路。
在优选实施方式中，所述净化气流是从所述合成回路净化后的净化气或来自净化气回收段的尾气。
根据本发明，含惰性气体的净化气流与从空气分离过程获取的所述氮气流相接触。
本说明书中的术语氧气流和氮气流用于描述具有所需纯度的流。氧气流和氮气流分别指富氧气流和富氮气流。优选地，氧气流的纯度至少为95％，但在任何情况下，低于该纯度的氧气流可用；为避免氨合成回路中发生催化剂氧中毒，氮气流优选地纯度为99％或者更高。根据公知技术，空气分离过程在至少一个空气分离单元中进行。
氮气流可以为液态或者气态，或者为液态氮气和气态氮气的混合物。也可从空气分离中获取分离的液态氮气流和气态氮气流。根据本发明，不同的实施方式可能使用液态氮气流或气态氮气流。
根据本发明的其他实施方式，空气分离过程可以输出第一氮气流和第二氮气流，第一氮气流用于调整合成气的氢氮比，第二氮气流用来处理所述的净化流，也就是净化气或尾气。
本发明的另一方面是由所述氧气流提供给二段转化炉的氧气的量使前端段输出的合成气中有过量氢，即氢氮比大于3。这将会补偿循环流中较低的氢氮比(小于3)。按照本发明的这一方面，在目的是增大现有氨合成设备的产量的改造中，送入二段转化炉中的氧气量比与产能的期望增加所对应的理论值要大。还有一个优点是降低了现有空气压缩机的负荷。
根据本发明的另一方面，净化气经深冷过程处理，其中净化气至少一部分被液化，获得液态富甲烷流以及分离出主要含氢气和氮气的循环气流。根据具体实施方式，循环气流可被吸入合成回路中的循环器或者被送入主合成气压缩机。
本发明的一些实施方式中，净化流用纯液态氮气流或液态氮气/气态氮气混合流洗涤。与仅用气态氮气流相比，用液态氮气/气态氮气混合流洗涤可能更高效，具体原因有：热交换界面较小，循环器吸入的合成气和/或压缩阶段的合成气温度较低，进而增加了循环器/压缩机的产能。用液态氮气或者液态/气态混合氮气流的洗涤工艺在深冷温度下进行，即在低温箱中进行。本发明的另一实施方式中，在所述净化流进入低温箱之前，将气态氮气加入所述净化流中。
在优选的实施方式中，经空气分离过程获取的液态氮气流用于在深冷装置(优选地深冷塔)中逆流洗涤净化流。优选地，净化气的洗涤采用以下工艺。净化气或者尾气冷却至深冷温度，接着冷净化气在深冷塔中用含液态氮气的流洗涤；经洗涤的净化流从所述的深冷塔中取出；分离出经洗涤的净化流的气态部分以得到经洗涤的净化气；所述的经洗涤的净化气在热交换机中用于制冷进入的净化气；接着，所述的经洗涤的净化气循环至合成回路或合成气压缩机。从经洗涤的净化流分离出的液态部分可再循环至深冷塔。
在另一优选实施方式中，空气分离单元(ASU)输出气态压缩流形式的氮气流。该氮气流被送至净化气回收单元，其中，通过深冷工艺，净化气至少一部分被液化获得液流。所述液流富甲烷，因此，来自该净化气回收单元的气流主要含氢气和氮气，并可再循环返回合成回路或者相关的压缩机。优选地，与化学计量值相比，加入的氮量为过量。
以上的实施方式中分别采用液态氮气和气态氮气，也可以结合使用。因此，一种液态氮气与气态氮气结合的解决方法也是可能实施的。
本技术已知，另一替代方案是净化气在净化回收段中经处理得到尾气，也叫废气，其中含有残留的氢气。根据本发明，所述的尾气用氮处理以回收所述的残留的氢气。
在用氮洗涤/处理前，净化气优选地不含氨。氨可以被脱除，例如，周水逆流洗涤净化气。然后，水被脱除，例如使用干燥器脱水。
氧气流优选地被压缩在一个适当的分离器中，与二段转化段的空气进料混合，因此将富氧空气原料提供至二段转化段。
本发明的另一方面涉及一种适用于执行上述工艺和其各实施方式的氨合成设备。根据本发明的氨合成设备包括：合成回路；前端，用来提供补充合成气至所述合成回路，所述前端包括一段转化炉、二段转化炉、用于变换、CO2脱除及甲烷化的其他装置；主合成气压缩机，用于将所述补充气送至合成回路；至少一个空气分离单元，用来提供氧气流及至少一氮气流；流通道，将所述氧气流送入至二段转化炉或者送至为二段转化炉给料的空气压缩机，其特征在于：包括这样的装置，该装置适用于利用所述至少一个氮气流洗涤从所述合成装置净化出的包含惰性气体的净化气或者来自净化气回收段的尾气以获得含氢气且基本不含惰性气体的循环流，并包括用于将所述流循环至合成回路的流通道。
根据以上公开的实施方式，空气分离单元(ASU)可提供液态或者气态形式氮，或者两种形式兼有。氨合成设备可以包括深冷装置，优选地深冷塔，其中净化气被ASU中产生的液态氮气流逆流洗涤，回收得到含氢气且不含惰性气体的气体。在其他实施方式中，氨合成设备可能包括净化气回收单元，在该装置中净化气被液化，在ASU中产生的气态氮气被送入所述净化气回收单元以回收得到包括氢气和氮气的气流。
本发明也适用于对现有氨合成设备的改造。接着，本发明的另一方面是增大氨合成设备产能的方法，所述氨合成设备包括氨合成回路；前端，用来将包括氢气和氮气的合成气流提供至所述合成回路，前端包括一段转化炉、二段转化炉、还有用于变换、CO2脱除及甲烷化的装置；以及用来将合成气流送至合成回路的合成气压缩机。改造方法包括以下步骤：提供一空气分离单元，用来供应一氧气流和至少一液态或气态氮气流；提供一种将所述氧气流送入二段转化炉或者经空气压缩机送入二段转化炉的装置；提供一种适于利用所述氮气流洗涤取自合成回路的净化气或者经净化气处理后释放的尾气的部件，该部件得到含氢气且基本不含惰性气体的循环流并将所述流再循环至合成回路。
当改造现有氨合成设备时，根据老氨合成设备的需要和/或特点，可以实施创新工艺的上面公开的实施方式。例如，如果氨合成设备已设有净化回收段(例如膜或者其它系统)，通过利用ASU供给的氮处理额外净化，可能净化来自回路的更多气体。
在优选的实施方式中，为降低现有空气压缩机的负荷，由ASU供给并送至二段转化炉的氧气量比与整个设备的产能增加相对应的理论值大。
本发明的基本优点是，使用来自ASU供给的氮气流通过回收净化气中的氢气，不仅调整了合成气原料的氢氮比，还使该工艺效率更高。
本发明允许提升氨合成设备的产能，减少了整个前端增加的流量及相关问题，包括压力降低及CO2脱除和甲烷化段的负荷。前端仅接收纯氧气流，这对提升转化产能是必要的，而氮气大体作为惰性气体通过前端后，仅适量被送入净化回收段，其中氮气在制取氨时需要作为其中的一种反应物及为确立补充气中准确HN比。
利用液态氮气回收净化气中含有的氢气，不采用直接注入前端或者直接在前端使用，这在要求投入成本显著较低时具有优势；实际上，该洗涤/或处理是对净化气完成的，该净化气通常比送至合成回路的合成气的流量小10倍。另一个优点是氮用于洗涤比补充合成气的惰性气体含量要高的流，即净化气或者尾气，因此氮洗净化是高效的。
氧送入二段转化炉还有另一些优点。对二段转化炉送气的空气压缩机负荷减少了，因为二段转化炉必需的部分氧现由ASU供给。这意味着，不必提供更大更昂贵的压缩机，给定大小及输出量的压缩机不变时就可以增加氨合成设备的产能。在改造现有氨合成设备时，如果环境条件恶劣、产能增加、氨合成设备的其他位置可能使用附加的压缩空气时，本发明提供现有空气压缩机附加的容量/操作性。压缩机入口处的流量相同，用富氧空气流对现有空气压缩机送料获得更大的转化产能，即不必改装压缩机本身。
将附加的氧送至二段转化炉还有一个优点，不必改装上游的一段转化炉，转化产能大幅提高。如上文所述的，提升一段转化炉一般不可能或价格昂贵，所以这是一个关联优点。
通过分离空气中的主要成分(氧气和氮气)，本发明允许氧气和氮气加至在氨合成设备的最佳位置。二段转化炉的入口处需要较多氧。仅在必需氮的地方送入氮，即送至合成氨回路。
应当注意，即使该氨合成设备的流量增加，主合成气压缩机的流量及入口压力基本不变。本发明也允许通过仅增加ASU的负荷、向ASU提供额外的空间来减少现有机器的负荷，特别是所述的主合成气压缩机和空气压缩机；而且，空气压缩机负荷的减少容许压缩机先前供给的氮造成的前端的压降减少。
由于氮的浓度较低，合成气中的CO2的分压增加。这意味着CO2脱除段可以更高效的方式运行，这样本发明也有助于解决提升CO2脱除段的问题。
总的来说，本发明允许有效并成本效益高地提升现有氨合成设备，或者，在给定投入成本即主要装置(如转化炉、空气压缩机及合成气压缩机及CO2脱除装置等)的大小时，允许提高新合成装置的产能和效率，特别地，本发明策略性的使用了空气分离得到的氧气和氮气。
通过下文优选实施方式的详细描述，优势将更明显。
附图说明
图1是根据本发明的氨合成设备的框图或根据本发明氨合成设备改造后的框图；
图2是本发明一实施方式的简化布局，其中液态氮气用于洗涤在塔中的净化气；
图3是本发明另一个实施方式的简化布局，其中氮气用于洗涤尾气。
图4是本发明另一个实施方式的布局，其中气态氮气用于处理净化气。
具体实施方式
参照图1，传统的氨合成设备主要包括：前端转化段1，在大约25至35巴下工作；合成回路2，在较高的压力下工作，例如150巴；空气分离单元(ASU)3以及净化气回收单元4。
向转化段1送适当的碳氢化合物源，例如天然气5，并向转化段1送由空气压缩机15提供的空气14。借助主合成气压缩机11，转化段1将补充合成气6供应至回路2。前端1和回路2本身是公知的，将不作进一步阐述。
合成回路2制取氨12，并同时将净化气7排至净化气回收单元4。净化气7含有氢气、氮气和一定量的惰性气体(主要是甲烷和氩气)。所述净化气回收单元4回收净化气7中含有的氢气，向回路2提供基本不含惰性气体的含氢气的循环流8。例如通过送入主压缩机11的中间级，所述循环流8被送回回路2。
ASU 3接收空气原料17，并将氧气9供至位于前端1中的二段转化炉，还将液态氮气和/或气态氮气10提供至净化回收装置4。例如，净化气回收单元4包括洗涤塔，其中净化气7被液态氮气10洗涤以获取循环流8。ASU 3可选地提供另一氮气流16，用来调整合成气6的氢氮比。
图2示出了用于深冷处理净化气的优选实施方式。净化气100取自合成回路，其含有60-70％的氢气、20％左右的氮气以及5-6％的甲烷和氩气。所述气体100在适当的热交换器150中被冷却至深冷温度，例如-150℃。冷净化气101被送至深冷塔120，在其中，用ASU提供的液态氮气105洗涤冷净化气101。在该示例中，用含液态氮气105的流112和从分离器140再生出的主要含氮和氢的另一液流104洗涤所述净化气。
气体101中含有的甲烷和部分氩气在塔120中被脱除。基本不含甲烷的净化气102在塔120的顶部放出，同时，在相同的塔120的底部取得主要含氮以及冷凝的甲烷和氩气的液流110。液流110经阀121闪蒸，获得减压流106。
在适当的交换器130中通过与所述减压流106进行热交换，所述不含甲烷的气体102被至少部分地冷凝。所述冷凝器130的冷凝输出在液/气分离器140中被处理。所述分离器140放出气流103和液流104。气流103使热交换器150冷却，出来后成为二次加热流108，例如其温度在-40℃左右。所述流108基本不含甲烷，含有的氩量(1-2％)比入口净化气100少，接着，它可以被再次利用为合成氨回路中的反应物(补充合成气)。
优选地，液流104被再循环返回洗涤塔120，例如，如图2所示，与液态氮气105混合。
残留的富甲烷流106在交换器130中至少部分蒸发，从而形成气流109，气流109在交换器150中被再次加热，从而为进入的净化气100提供了另一制冷源。通过二次加热所述富甲烷流106，在交换器150的出口处获得燃料气107，染料气107被回收回燃气系统。
塔120、热交换器130、分离器140和热交换器150是形成用于处理净化气100的低温箱的主要装置。辅助设备如阀门、泵和膨胀机等没有示出。
图3示出了一备选实施方式。净化气100先经净化气回收单元160处理，回收其中含有的一部分氢气。从所述净化气回收装置提取出含氮气、甲烷、氩气及余量的氢气(例如15％左右)的尾气100a。通过与以上参照图2所述的方式相同的方式处理尾气100a，所述余量氢气进一步被回收。
图4的另一实施方式使用了气态氮气流。在送入“低温箱”前，即在将气体100送至氨合成设备的处于深冷温度的部件之前，气态氮气205与净化气100混合。然后，这样获得的富氮气净化气流100b然后在交换器150中被冷却，送入洗涤塔120，在塔中被液态氮气流105洗涤。图3和图4中的实施方式的其他细节与参考图2公开的内容相同。
示例1
以下示例中的数据与图1相关联。通过安装ASU 3改造传统的氨合成设备，ASU 3提供氧气流9和用于洗涤净化气的氮气流10。以下几点需要注意：氨输出(流12)增加了14％，而供至空气压缩机的空气原料14减少了11％；然而，送入二段转化炉中的氧气原料总量增加了37％左右，因为空气原料14含21％的氧气，流9含95％的氧气。表1c公开了图1(改造情况)中流的具体组分。
表1a(基础情况)
流 5 9 14 12
气相分数(摩尔) 1.00 - 1.00 0.08
温度 °F 76.5 - 333.5 3.0
压力 psig 630.80 - 493.10 17.26
摩尔流量 lbmole/hr 4185.0 - 5840.0 8791.3
质量流量 lb/hr 69206.8 - 169153.9 149716.3
表1b(改造后)
流 5 9 14 12
气相分数(摩尔) 1.00 1.00 1.00 0
温度 °F 72.8 104.0 330.4 3.0
压力 psig 645.00 522.14 508.15 17.26
摩尔流量 lbmole/hr 4953.0 618.0 5200.0 10085.1
质量流量 lb/hr 81907.2 19947.8 150616.5 171750.8
表1c
流 5 6 7 8 9
气相分数(摩尔) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
温度 °F 72.8 45.0 -15.4 -73.9 104.0
压力 psig 645.00 355.60 1986.67 899.00 522.14
摩尔流量 lbmole/hr 4953.0 22376.8 1440.0 1316.4 618.0
质量流量 lb/hr 81907.2 192860.8 14854.0 12692.2 19947.8
组分 ％mol
H2 - 74.495％ 66.144％ 71.248％ -
N2 3.403％ 24.557％ 19.474％ 27.489％ 1.000％
NH3 - - 1.869％ - -
CH4 95.991％ 0.499％ 6.000％ - -
Ar - 0.373％ 5.522％ 1.263％ 4.000％
He 0.121％ 0.035％ 0.991％ - -
H2O - 0.042％ - - -
O2 - - - - 95.000％
CO2 0.118％ - - - -
表1c(续)
流 10 12 14 16
气相分数(摩尔) 0.00 0.06 1.00 1.00
温度 °F -240.0 3.0 330.4 122.0
压力 psig 900.00 17.26 508.15 900.00
摩尔流量 lbmole/hr 198.4 10085.1 5200.0 837.7
质量流量 lb/hr 5558.2 171750.8 150616.5 23472.8
组分 ％mol
H2 - - - -
N2 99.950％ - 78.086％ 99.950％
NH3 - 99.968％ - -
CH4 - 0.007％ - -
Ar 0.050％ - 0.934％ 0.050％
He - - - -
H2O - 0.025％ - -
O2 - - 20.948％ -
示例2
以下表2与图2中的氨合成设备相关联，其中净化气100含有66％左右的氢气和21.5％的氮气以及6.4％的甲烷和5.8％的氩气，在深冷段中处理所述净化气100，获得不含甲烷的再循环流108，所述不含甲烷的再循环流含有70％的氢气和28％的氮气。
表2
流 100 101 102 103 104
气相分数(摩尔) 1.00 0.95 1.00 1.00 0.00
温度 °F 14.0 -239.7 -266.7 -277.0 -277.0
压力 psig 1976.67 1975.67 900.00 900.00 900.00
摩尔流量 lbmole/hr 1384.1 1384.1 1542.8 1278.1 264.7
质量流量 lb/hr 14884.8 14884.8 19336.3 12648.4 6687.9
组分 ％mol
H2 66.092％ 66.092％ 60.446％ 70.245％ 13.139％
N2 21.586％ 21.586％ 37.589％ 28.541％ 81.272％
CH4 6.473％ 6.473％ 0.001％ - 0.004％
Ar 5.848％ 5.848％ 1.964％ 1.214％ 5.585％
续表2
流 105 106 107 108
气相分数(摩尔) 0.00 0.26 1.00 1.00
温度 °F -240.0 -294.4 -22.0 -44.0
压力 psig 900.00 29.01 28.01 899.00
摩尔流量 lbmole/hr 198.4 304.5 304.5 1278.1
质量流量 lb/hr 5558.2 7794.9 7794.9 12648.4
组分 ％mol
H2 - 5.584％ 5.584％ 70.245％
N2 100.000％ 43.504％ 43.504％ 28.541％
CH4 - 29.427％ 29.427％ -
Ar - 21.485％ 21.485％ 1.214％
示例3
以下表3与图3中的氨合成设备相关联，其中含有15％的氢气和48％的氮气的尾气100a在深冷段被处理。获得的循环流108含有42％的氢气和56％的氮气。
表3
流 100a 101 102 103 104
气相分数(摩尔) 1.00 0.97 1.00 1.00 0.00
温度 °F 122.0 -194.6 -248.7 -264.3 -264.3
压力 psig 901.45 900.00 435.11 435.11 435.11
摩尔流量 lbmole/hr 557.0 557.0 553.9 170.0 383.9
质量流量 lb/hr 12585.5 12585.5 12962.9 2915.1 10047.8
组分 ％mol
H2 14.542％ 14.542％ 18.758％ 42.334％ 8.319％
N2 48.474％ 48.474％ 79.002％ 56.492％ 88.970％
CH4 25.314％ 25.314％ 0.009％ 0.002％ 0.012％
Ar 11.670％ 11.670％ 2.231％ 1.172％ 2.699％
表3(续)
流 105 106 107 108
气相分数(摩尔) 0.00 0.43 1.00 1.00
温度 °F -234.4 -288.5 96.7 50.0
压力 psig 454.33 26.11 23.21 433.66
摩尔流量 lbmole/hr 44.1 431.1 431.1 170.0
质量流量 lb/hr 1235.1 10906.9 10906.9 2915.1
组分 ％mol
H2 - 2.096％ 2.096％ 42.334％
N2 100.000％ 50.582％ 50.582％ 56.492％
CH4 0.000％ 32.704％ 32.704％ 0.002％
Ar 0.000％ 14.618％ 14.618％ 1.172％
在以上表中，相对于大气(psig)，压力用每平方英寸受到的磅力表示。国际单位换算可用1psi＝6894.76Pa。质量流量用lb/hr(磅小时)表示，其中1lb＝0.4536kg。

Claims (12)

1.一种制取氨的方法，其中：通过对碳氢化合物源(5)进行蒸汽转化制取补充合成气(6)，所述蒸汽转化包括一段转化和二段转化的步骤以及变换、CO2脱除和甲烷化的进一步处理步骤；所述补充合成气被压缩并在高压合成回路(2)中发生反应以制取氨；空气进料(17)经分离过程成为氧气流(9)和至少一个氮气流(10，16)；所述氧气流为所述二段转化提供附加的氧化剂，该方法特征在于：含惰性气体的净化气流(7)与从空气的所述分离过程中获取的氮气流(10)相接触，获得含氢气且基本不含惰性气体的循环气流(8)，所述循环气流(8)被再循环至所述合成回路，其中所述净化气流(7)是来自于所述合成回路(2)的净化后的净化气(100)或者来自净化气回收段(160)的尾气，所述氮气流是液态、或者是液态和气态的氮气的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在深冷温度下，所述净化气流(7)与所述氮气流相接触，在与所述氮气流接触中，所述净化气流(7)至少部分被液化，生成富甲烷液流(107)并分离出主要含氢气和氮气的循环气流(108)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在深冷设备中，用液态氮气流或用气态/液态氮气混合流采用逆流洗涤工艺对所述净化气流(7)洗涤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述净化气(100)或尾气(100a)在热交换器(150)中被冷却至深冷温度，获得冷净化气(101)；然后，在深冷塔中用含液态氮气(105)的流(112)洗涤所述冷净化气；从所述塔取得经洗涤的净化流(102)；所述经洗涤的净化流的气态部分(103)被分离出，获得经洗涤的净化气；所述经洗涤的净化气用于制冷所述热交换器(150)，与进入的净化气(100)发生热交换；然后，所述经洗涤的净化气(108)再循环至所述合成回路。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述净化气(100)或尾气(100a)被在所述热交换器(150)中冷却至深冷温度之前，与气态的氮气(205)混合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：以压缩气流形式的氮气流被送入净化气回收单元，其中，通过深冷工艺，净化气至少部分被液化获得富甲烷液流；来自该净化气回收单元的气流主要含氢气和氮气并被再循环返回至所述合成回路或相关的压缩机。
7.一种氨合成设备，包括氨合成回路(2)；用于将补充合成气提供至所述合成回路的前端(1)，所述前端包括一段转化炉、二段转化炉、用于变换、脱除CO2和甲烷化的其他装置；以及把所述补充合成气送至所述合成回路的主合成气压缩机，所述设备还包括提供氧气流(9)和至少一个氮气流的至少一个空气分离单元(3)以及将所述氧气流送至二段转化炉或送至为所述二段转化炉进料的空气压缩机的流通道，其特征在于，所述设备包括：
净化气回收单元(4)，该净化气回收单元包括至少一个深冷洗涤装置，所述深冷洗涤装置用于利用产自所述空气分离单元(3)的氮气流(10)洗涤来自于所述合成回路的净化后的含惰性气体的净化气(100)或来自净化气回收段的尾气，以获取基本不含惰性气体的循环流(8)，所述氮气流是液态或气态、或者是液态或气态氮气的混合物，以及
用于将所述循环流(8)送至所述合成回路的流通道。
8.根据权利要求7所述的氨合成设备，所述净化气回收单元(4)包括至少一个深冷洗涤塔，在所述深冷洗涤塔中，用所述空气分离单元中产生的液态氮气(105)或气态/液态混合氮气逆流洗涤净化气流或尾气流。
9.根据权利要求7或8所述的氨合成设备，包括低温箱，在所述低温箱中，用含氮的流洗涤所述净化气(100)或尾气(100a)的流，还包括在所述低温箱的上游的通道，用于将气态氮气(205)加入至所述净化气或尾气。
10.一种改造氨合成设备的方法：其中：
所述设备包括氨合成回路(2)和用于向所述合成回路提供包含氢气和氮气的合成气流的前端(1)，所述前端包括一段转化炉、二段转化炉、用于变换、脱除CO2、甲烷化的其他装置以及将所述合成气流送至所述合成回路的合成气压缩机(11)，
且改造方法包括以下步骤：
安装空气分离单元(3)，该空气分离单元适合于提供氧气流(9)和至少一个液态或气态氮气流(10，16)；
将所述氧气流(9)送至所述二段转化炉或送至为所述二段转化炉给料的空气压缩机；
提供净化气回收单元(4)，在所述净化气回收单元中，产自所述空气分离单元(3)的氮气流(10)用于洗涤取自所述合成回路的净化气(100)或对净化气进行处理后释放的尾气，所述氮气流是液态或气态、或者是液态或气态氮气的混合物，由此获得基本不含惰性气体的循环流(8)，并将所述循环流送至所述合成回路。
11.根据权利要求10所述的方法，包括提供至少一个深冷洗涤塔，在所述深冷洗涤塔(120)中，用所述空气分离单元中产生的液态氮气(105)或气态/液态混合氮气逆流洗涤所述净化气或所述尾气的流。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：为降低现有的空气压缩机的负荷，由ASU提供并送入二段转化炉中的氧气的量比与整个设备的产能增加量相对应的理论值大。
CN201080031419.3A 2009-08-13 2010-08-03 利用基于氮气对净化气流洗涤改造氨合成设备的方法 Active CN102770372B (zh)

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