CN103879963B - 合成氨优化生产的甲烷化装置 - Google Patents
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Abstract
一种合成氨优化生产的甲烷化装置，它包括甲烷化油分离器、氨冷器、水分离器和循环机，所述甲烷化油分离器与第一管线通过第二阀门密封连接，在氨冷器与水分离器之间密封连接第五阀门，循环机的循环气出口密封连接出口阀，并与合成系统的循环气油分离器通过第五管线密封连接，其特点是：在第一管线和循环气油分离器之间设置第六管线，在第六管线上依次密封连接第三阀门和第四阀门。切除甲烷化装置工作过程是：先关闭第二阀门，再关闭第五阀门，依次打开第六管线上的第三阀门和第四阀门，从而将来自氢氮压缩机出口经过加压的氢氮气引入合成循环气油分离器后直接进入氨合成工序。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备，是一种用于合成氨生产的合成氨优化生产的甲烷化装置。
背景技术
目前国内合成氨的生产工艺都需要经过甲烷化和氨合成2道工序，见图1，甲烷化工序的主要目的是净化原料气中的CO2和CO，防止合成催化剂被氧化而失去活性，为氨合成工序提供合格的原料气，现有技术的甲烷化工艺为：来自氢氮压缩机出口的氢氮气通过第一管线1进到甲烷化油分离器401分离油水后分为第一路线3和第二路线5，第一路线3进入甲烷化塔404冷却外壁，出来后经第二管线4与第二路线5的气体混合后进入塔前换热器402与通过第三管线8的反应气换热升温，之后送至提温换热器403与氨合成出气进一步换热，温度提升至250℃以上进入甲烷化塔404进行甲烷化反应，反应气出塔后经第三管线8进入塔前换热器402与第二管线4和第二路线5的混合入塔气换热降温后进入水冷器405，进一步冷却降温至37℃以下再送入氨冷器406继续冷却降温至8℃，反应气中的气相水在水冷器405和氨冷器406中被冷凝为液相，氨冷器406出口的气液混合气进入水分离器407，水分离器407出口气体补入氨合成系统参与氨合成。所述原料气为包含氢气、氮气、CO、CO2和少量氨的混合气体，所述反应气为甲烷化反应气。
在合成氨生产时，需要不断为氨合成工序补充原料气，原料气中CO、CO2的含量要求为CO2﹢CO＜设定值，当原料气中CO2﹢CO＜设定值时，高压甲烷化装置运行失去净化的意义，同时增加了能耗，所以在生产操作中会将高压甲烷化工序切出系统，将压缩后的氢氮混合气直接引进氨合成工序，其工艺过程是：首先在甲烷化油分离器401入口、氨冷器406出口装盲板30，同时关闭循环机417的出口阀20，打开第四管线13的第一阀门15，使来自氢氮压缩机出口的氢氮气通过第一管线1和第四管线13进到循环机417出口管线上、与经过循环机417压缩的合成循环气一起经第五管线18通过合成循环气油分离器410后进入氨合成工序。
甲烷化化反应方程式：
存在的问题是：
1.甲烷化装置投用与切除时必须进行系统停车和盲板30的抽加，工作复杂，浪费时间，同时开停车也增加了装置能耗；
2.现有工艺流程在不启用甲烷化装置时，氢氮混合气从第四管线13走逆流程至循环机417出口管线，恰与经过循环机417加压的合成氨循环气混合，然后再经第五管线18进入合成工序，这无形中增加循环机负荷，加大电耗；
3.第五管线18原来是氨合成循环气管线，现在是氨合成循环气和氢氮混合气公用管线，因为管径未发生变化，致使现有工艺流程存在合成气循环量低的问题，影响系统单产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种用于净化补充原料气的合成氨优化生产的甲烷化装置。
本发明解决技术问题的方案是：一种合成氨优化生产的甲烷化装置，它包括甲烷化油分离器401、甲烷化塔404、塔前换热器402、提温换热器403、水冷器405、氨冷器406、水分离器407和循环机417，所述甲烷化油分离器401的底部与氢氮气体输送的第一管线1通过第二阀门16密封连接，甲烷化塔404的内壁和外壁之间设有环隙，外壁的上部和下部分别设置与环隙连通的第一入口和第一出口，甲烷化塔404的底部设置第二入口，在第一出口和第二入口之间设置第二出口，塔前换热器402的底部设置第三入口，在第三入口的上方设置第四入口，在第三入口和第四入口之间设置第三出口，在塔前换热器402的顶部设置第四出口，甲烷化塔404外壁上部的第一入口通过第一路线3与甲烷化油分离器401顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔404外壁底部的第一出口与塔前换热器402底部设置的第四入口通过第二管线4密封连接、同时通过第二路线5与甲烷化油分离器401顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔404底部的第二出口与塔前换热器402底部的第三入口通过第三管线8密封连接，甲烷化塔404底部设置的第二入口和塔前换热器402底部的第三出口通过提温换热器403密封连接，塔前换热器402顶部设置的第四出口依次通过水冷器405和氨冷器406与水分离器407的第五入口密封连接，在氨冷器406与水分离器407的第五入口之间密封连接第五阀门17，水分离器407的第五出口与循环机417的循环气入口密封连接，循环机417的循环气出口密封连接出口阀20，出口阀20与合成系统的循环气油分离器410的第六入口通过第五管线18密封连接，出口阀20同时密封连接第四管线13，第四管线13上密封连接第一阀门15，其特征是：在氢氮气体输送的第一管线1和循环气油分离器410的第六入口之间设置第六管线19，在第六管线19上依次密封连接第三阀门21和第四阀门22。
所述第一阀门15、第二阀门16、第三阀门21、第四阀门22、第五阀门17均为高压角式截止阀。
本发明合成氨优化生产的甲烷化装置的工作过程是：
1)原料气中CO2﹢CO＜设定值需要切除甲烷化装置
首先关闭甲烷化油分离器401入口的第二阀门16，再关闭氨冷器406与水分离器407的第五入口之间的第五阀门17，然后依次打开第六管线19上的第三阀门21和第四阀门22，来自氢氮压缩机出口、经过加压的氢氮气绕过甲烷化装置，由第一管线1、第六管线19和第五管线18进入合成循环气油分离器410后直接进入氨合成工序；
2)原料气中CO2﹢CO＞设定值需要投用甲烷化装置
首先依次关闭第六管线19上的第四阀门22和第三阀门21，再依次打开甲烷化油分离器401入口的第二阀门16和氨冷器406出口的第五阀门17，来自氢氮压缩机出口的氢氮气通过第一管线1进到甲烷化油分离器401分离油水，之后分为第一路线3和第二路线5，第一路线3进入甲烷化塔404冷却外壁，出来后经第二管线4与第二路线5的气体混合后进入塔前换热器402与通过第三管线8的反应气换热升温，之后送至提温换热器403与氨合成二的出气进一步换热，温度提升至250℃以上进入甲烷化塔404进行甲烷化反应，反应气出塔后经第三管线8进入塔前换热器402与第二管线4和第二路线5的混合入塔气换热降温进入水冷器405，进一步冷却降温至37℃以下再送入氨冷器406继续冷却降温至8℃，反应气中的气相水在水冷器405和氨冷器406中被冷凝为液相，氨冷器406出口的气液混合气进入水分离器407，水分离器407出口气体补入氨合成系统参与氨合成。所述原料气为包含氢气、氮气、CO、CO2的混合气体，所述反应气为甲烷化反应气。
本发明合成氨优化生产的甲烷化装置的第六管线19及其上依次密封连接的第三阀门21和第四阀门22，方便实现甲烷化装置的投用和切除操作，整个过程中合成系统均可保持正常生产，无需停车，且仅需要2个操作人员既可完成此项工作，减少了氨合成系统的开停车操作和开停车过程中的能源消耗，延长了甲烷化装置和甲烷化催化剂的使用寿命，生产过程的循环量相当于循环机的循环量加上补充气量，增加循环量后整个反应的空速、气体分压都有所提高，合成反应速率增加、氨产量增加。
附图说明
图1为现有技术的合成氨生产的甲烷化装置的结构示意图；
图2为本发明合成氨优化生产的甲烷化装置的结构示意图；
图3为本发明合成氨优化生产的甲烷化装置的工艺流程示意图。
图中：1第一管线，3第一路线，4第二管线，5第二路线，8第三管线，13第四管线，15第一阀门，16第二阀门，17第五阀门，18第五管线，19第六管线，20出口阀，21第三阀门，22第四阀门，30盲板，401甲烷化油分离器，402塔前换热器，403提温换热器，404甲烷化塔，405水冷器，406氨冷器，407水分离器，410合成循环气油分离器，417循环压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图2～3，本发明的合成氨优化生产的甲烷化装置用于现有的合成氨生产为例，
一种合成氨优化生产的甲烷化装置，它包括甲烷化油分离器401、甲烷化塔404、塔前换热器402、提温换热器403、水冷器405、氨冷器406、水分离器407和循环机417，所述甲烷化油分离器401的底部与氢氮气体输送的第一管线1通过第二阀门16密封连接，甲烷化塔404的内壁和外壁之间设有环隙，外壁的上部和下部分别设置与环隙连通的第一入口和第一出口，甲烷化塔404的底部设置第二入口，在第一出口和第二入口之间设置第二出口，塔前换热器402的底部设置第三入口，在第三入口的上方设置第四入口，在第三入口和第四入口之间设置第三出口，在塔前换热器402的顶部设置第四出口，甲烷化塔404外壁上部的第一入口通过第一路线3与甲烷化油分离器401顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔404外壁底部的第一出口与塔前换热器402底部设置的第四入口通过第二管线4密封连接、同时通过第二路线5与甲烷化油分离器401顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔404底部的第二出口与塔前换热器402底部的第三入口通过第三管线8密封连接，甲烷化塔404底部设置的第二入口和塔前换热器402底部的第三出口通过提温换热器403密封连接，塔前换热器402顶部设置的第四出口依次通过水冷器405和氨冷器406与水分离器407的第五入口密封连接，在氨冷器406与水分离器407的第五入口之间密封连接第五阀门17，水分离器407的第五出口与循环机417的循环气入口密封连接，循环机417的循环气出口密封连接出口阀20，出口阀20与合成系统的循环气油分离器410的第六入口通过第五管线18密封连接，出口阀20同时密封连接第四管线13，第四管线13上密封连接第一阀门15，在氢氮气体输送的第一管线1和循环气油分离器410的第六入口之间设置第六管线19，在第六管线19上依次密封连接第三阀门21和第四阀门22。所述第一阀门15、第二阀门16、第三阀门21、第四阀门22、第五阀门17均为高压角式截止阀。本发明采用现有技术制造，其所用设备及阀门均为现有技术的市售产品。
本实施例的工作过程是：
1)原料气中CO2﹢CO＜30ppm需要切除甲烷化装置
首先关闭甲烷化油分离器401入口的第二阀门16，再关闭氨冷器406与水分离器407的第五入口之间的第五阀门17，然后依次打开第六管线19上的第三阀门21和第四阀门22，来自氢氮压缩机出口、经过加压的气体组分为氢气74.91％；氮气24.97％；甲烷0.11％；氩气0.01％的氢氮气绕过甲烷化装置，通过第六管线19与循环机417出口的合成气混合，合成气的气体组分：氢气69.07％；氮气23.02％；甲烷4.60％；氩气0.5％；氨气：2.81％；混合后的混合气体通过第五管线18进入合成循环气油分离器410中分离油水，之后混合气体进入合成反应系统；混合气体的气体组分：氢气69.97％；氮气23.32％；甲烷3.91％；氩气0.42％；氨气：2.38％；
2)原料气中CO2﹢CO＞30ppm需要投用甲烷化装置
首先依次关闭第六管线19上第四阀门22和第三阀门21，再依次打开甲烷化油分离器401入口的第二阀门16和氨冷器406出口的第五阀门17，来自氢氮压缩机出口的氢氮气通过第一管线1进到甲烷化油分离器401分离油水，之后分为第一路线3和第二路线5，第一路线3进入甲烷化塔404冷却外壁，出来后经第二管线4与第二路线5的气体混合后进入塔前换热器402与通过第三管线8的反应气换热升温，温度提高至220℃送至提温换热器403与氨合成二的出气进一步换热，温度提升至250℃以上进入甲烷化塔404进行甲烷化反应，反应气出塔后经第三管线8进入塔前换热器402与第二管线4和第二路线5的混合入塔气换热，温度降至85℃进入水冷器405，进一步冷却降温至37℃以下再送入氨冷器406继续冷却降温至8℃，反应气中的气相水在水冷器405和氨冷器406中被冷凝为液相，氨冷器406出口的气液混合气进入水分离器407，水分离器407出口气体补入氨合成系统参与氨合成。所述原料气为包含氢气、氮气、CO、CO2的混合气体，所述反应气为甲烷化反应气。
本实施例的有益效果对比：
1)提高入塔气的氢气氮气分压、降低入塔氨含量有利于合成反应，提高了合成反应速率
现有技术的采用盲板切除甲烷化装置的结构，工艺入塔气气体组分：氢气69.81％；氮气23.27％；甲烷3.70％；氩气0.40％；氨气：2.81％。采用本发明切除甲烷化装置的工艺入塔气气体组分中氢气含量增加0.16％，氮气含量增加0.05％，氨气含量降低0.43％；
2)提高了合成氨装置的产能，同时降低产品的生产消耗。
采用现有技术所应用的工艺流程，合成补充气即氢氮气流量10000m3/h时，合成循环量为50000m3/h,系统压力为11.82MPa，而采用本发明所应用的工艺流程后，在合成补充气流量同样为10000m3/h时，合成循环量达到61000m3/h，系统压力为10.59MPa。合成循环量每小时增加11000m3，同时入塔气的组分也发生变化，入塔气中氢气、氮气分压较现有技术的工艺分别增加0.16％、0.05％，合成反应的合成率提高1.5％，合成率增加合成过程中生成的氨增加，同时反应过程中消耗的氢气、氮气增加，合成气总体积下降，系统压力下降。
本发明将氢氮气直接补充到合成塔前，氢氮气进入合成塔进行反应，反应后未反应的气体再经过循环机加压后循环反应，新工艺的循环量相当于循环机的循环量加上补充气量，增加循环量后整个反应的空速、气体分压都有所提高，合成反应速率增加、氨产量增加。
Claims (2)
1.一种合成氨优化生产的甲烷化装置，它包括甲烷化油分离器（401）、甲烷化塔（404）、塔前换热器（402）、提温换热器（403）、水冷器（405）、氨冷器（406）、水分离器（407）和循环机（417），所述甲烷化油分离器（401）的底部与氢氮气体输送的第一管线（1）通过第二阀门（16）密封连接，甲烷化塔（404）的内壁和外壁之间设有环隙，外壁的上部和下部分别设置与环隙连通的第一入口和第一出口，甲烷化塔（404）的底部设置第二入口，在第一出口和第二入口之间设置第二出口，塔前换热器（402）的底部设置第三入口，在第三入口的上方设置第四入口，在第三入口和第四入口之间设置第三出口，在塔前换热器（402）的顶部设置第四出口，甲烷化塔（404）外壁上部的第一入口通过第一路线（3）与甲烷化油分离器（401）顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔（404）外壁底部的第一出口与塔前换热器（402）底部设置的第四入口通过第二管线（4）密封连接、同时通过第二路线（5）与甲烷化油分离器（401）顶部的气体出口密封连接，甲烷化塔（404）底部的第二出口与塔前换热器（402）底部的第三入口通过第三管线（8）密封连接，甲烷化塔（404）底部设置的第二入口和塔前换热器（402）底部的第三出口通过提温换热器（403）密封连接，塔前换热器（402）顶部设置的第四出口依次通过水冷器（405）和氨冷器（406）与水分离器（407）的第五入口密封连接，在氨冷器（406）与水分离器（407）的第五入口之间密封连接第五阀门（17），水分离器（407）的第五出口与循环机（417）的循环气入口密封连接，循环机（417）的循环气出口密封连接出口阀（20），出口阀（20）与合成系统的循环气油分离器（410）的第六入口通过第五管线（18）密封连接，出口阀（20）同时密封连接第四管线（13），第四管线（13）上密封连接第一阀门（15），其特征是：在氢氮气体输送的第一管线（1）和循环气油分离器（410）的第六入口之间设置第六管线（19），在第六管线（19）上依次密封连接第三阀门（21）和第四阀门（22）。
2.如权利要求1所述的合成氨优化生产的甲烷化装置，其特征是：所述第一阀门（15）、第二阀门（16）、第三阀门（21）、第四阀门（22）、第五阀门（17）均为高压角式截止阀。
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