CN104986734B - 一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置及其净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置及其净化方法。该装置包括深冷换热器、富氢洗涤塔、脱甲烷脱氩塔、压缩机、第一膨胀机、第二膨胀机、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、合成氨原料气管路、氮氢循环管路及液化气管道，所述的脱甲烷脱氩塔塔底内部设有再沸器；采用本发明深冷净化的合成氨原料气，在富氢洗涤塔塔顶可得到高纯度氮氢气比接近为1:3的合成气，在脱甲烷脱氩塔塔底可得到液化天然气产品，本发明解决了传统甲烷化工艺的驰放气排放量大、回收欠缺、运行成本高等问题，实现了无需外部额外高压氮气循环制冷，降低能耗、提升运转净化效率的同时，保证原料气中甲烷的回收利用。

Description

一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置及其净化方法

技术领域

本发明涉及化工深冷净化装置，尤其涉及一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置及其净化方法。

背景技术

在合成氨技术发展过程中，研究主要集中于降低能耗和提高能量效率上。我国目前有大量的中、小型合成氨装置在运行。该种合成氨装置的工艺流程主要包括原料气压缩、原料气脱硫、一段炉转化、二段炉转化、CO变换、CO2吸收、甲烷化、合成气干燥、合成气压缩、氨合成及冷冻等工段。深冷净化工艺是将合成气压缩的合成气抽出，通过深冷净化的工艺，将其中的甲烷及过量的氩取出，经净化后的氮氢气返回合成气压机。

由于经过预处理后的原料气中含有少量甲烷和氩气，而这些少量的甲烷和氩气在氨合成反应中不参与反应，因而就会有越来越多的甲烷和氩气累积，这对反应平衡、进度及能耗都会有不利影响。因此当甲烷和氩气累积到一定浓度后，要将反应气弛放掉。这样就造成大量氢气的损耗，降低了产品的收率。采用深冷净化工艺可以去除原料气中几乎全部甲烷、大部分氩气及过量氮气，从而减少合成氨反应器中惰性气体的累积，提高了氢气分压，增加了产品的收率。

目前合成氨工艺中原料气中的甲烷和氮气、氩气一起作为尾气放掉，没有得到回收。其中甲烷作为可再生能源，经预算年产万吨合成氨厂每年作为废弛气浪费掉的甲烷近百万元，尤其目前全球能源紧张，因此对原料气中甲烷的回收就显得尤为重要。

我公司之前公开的发明专利：一种合成氨原料气的净化装置及净化方法，ZL201110386815.4，虽然在一定程度上解决废弛气浪费，但其整个装置需要通过高压氮气循环制冷来提供冷源，其高压氮气来源于外部工艺，需要额外高成本运行，以300kt/a合成氨系统计算，年需额外电费近1800万元。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置及其净化方法。

一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，包括深冷换热器、富氢洗涤塔、脱甲烷脱氩塔、压缩机、第一膨胀机、第二膨胀机、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、合成氨原料气管路、氮氢循环管路及液化气管道，所述的脱甲烷脱氩塔塔底内部包括再沸器；

合成氨原料气管路穿过深冷换热器与富氢洗涤塔下部连接，富氢洗涤塔底部通过液化气管路与第一节流阀连接，并继续穿过深冷换热器与脱甲烷脱氩塔下部连接；脱甲烷脱氩塔顶部通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器依次与压缩机、第一冷却器连接；

第一冷却器出口分为上下路，上路又分两支流，其中一支流通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器与第一膨胀机膨胀端连接，第一膨胀机膨胀端出口穿过深冷换热器并在其中部，与脱甲烷脱氩塔顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流通过氮氢循环管路，依次与第一膨胀机增压端、第二冷却器、第二膨胀机增压端、第三冷却器连接；

第三冷却器出口通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器并在其中部再次分为两支流，其中一支流与第二膨胀机膨胀端连接，第二膨胀机膨胀端出口与脱甲烷脱氩塔顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流与脱甲烷脱氩塔塔底内部的再沸器连接；

脱甲烷脱氩塔塔底内部的再沸器出口通过氮氢循环管路再次分为两支流，其中一支流依次与第二节流阀、富氢洗涤塔上部连接；另一支流依次与第三节流阀、脱甲烷脱氩塔上部连接。

作为优选，所述的富氢洗涤塔顶部与第一冷却器出口下路形成汇流，再与氮氢合成压缩装置连接。

作为优选，所述的脱甲烷脱氩塔底部的液化气管道，穿过深冷换热器与液化天然气收集装置连接。

作为优选，所述的脱甲烷脱氩塔中部与富氩气体收集装置连接。

一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置的深冷净化方法，包括以下步骤：

1）合成氨原料气a经过深冷换热器热交换后进入到富氢洗涤塔下部,自下而上与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在富氢洗涤塔塔顶得到富氢混合气c，其氢气、氮气摩尔比为3.0~3.2:1，无氩气、甲烷，富氢混合气c经深冷换热器热交换后传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；在富氢洗涤塔塔底得到釜液d，其氢气、氮气、氩气、甲烷摩尔比为1:20~23:0.9~1:13~16；

2）釜液d通过第一节流阀节流减压后，经过深冷换热器热交换后进入到脱甲烷脱氩塔与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在脱甲烷脱氩塔塔顶得到富氮混合气e，其氢气、氮气摩尔比为1:19~22，无氩气、甲烷；在脱甲烷脱氩塔中部出口得到富氩气体；在脱甲烷脱氩塔塔底得到液化天然气，并经深冷换热器热交换后传输至液化天然气收集装置进行收集；

3）富氮混合气e，首先与第二膨胀机膨胀端出口的富氮混合气汇合，然后经过深冷换热器并在其中部与第一膨胀机膨胀端出口的富氮混合气汇合，经过深冷换热器热交换后，依次经过压缩机压缩、第一冷却器冷却后，其中部分富氢混合气进入下路管道与富氢混合气c汇合传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；

4）另一部分富氮混合气e进入上路管路分为两支流，其中一支流f，依次经过深冷换热器热交换、第一膨胀机膨胀端膨胀，再次经过深冷换热器并在其中部，与脱甲烷脱氩塔顶部出来的富氮混合气e汇合形成小循环；

5）另一支流g依次经过第一膨胀机增压端压缩、第二冷却器冷却、第二膨胀机增压端压缩及第三冷却器冷却处理后，经过深冷换热器热交换，并在其中部又分为两支流；其中一支流h输送至第二膨胀机膨胀端膨胀处理后，与脱甲烷脱氩塔顶部出来的富氮混合气e汇合形成大循环；

6）另一支流i输送至脱甲烷脱氩塔塔底内部的再沸器，经再沸器汽化处理后，再次分为两支流，其中一支流j经第二节流阀,进入富氢洗涤塔塔顶对合成氨原料气a进行洗涤，另一支流k经第三节流阀节流减压后，进入脱甲烷脱氩塔塔顶对汽化的釜液d进行洗涤。

作为优选，所述的脱甲烷脱氩塔塔内的操作压力为410~490KPaG。

作为优选，所述的步骤5）中依次经过第一膨胀机增压端压缩、第二冷却器冷却、第二膨胀机增压端压缩及第三冷却器冷却处理后支流g，经过深冷换热器热交换，在其中部的富氮混合气e温度为-105~-135℃。

作为优选，所述的步骤6）中进入再沸器的支流g，其内部富氮混合气e温度为-175~-185℃。

采用本发明，有效降低了布朗合成氨工艺能耗，提升了深冷净化效率，减少了合成氨工厂驰放气的排放量，增加了合成氨原料产率，整个深冷净化流程灵活、方便、稳定。合成氨原料气通过本发明深冷净化处理后，在富氢洗涤塔塔顶得到高纯度氮氢气比接近为1:3的合成气，在脱甲烷脱氩塔塔底得到液化天然气产品，经预算年产万吨合成氨厂每年可收集液化天然气就可实现百万元经济效益；同时本发明运行所需的冷源直接来源于合成氨原料气分离出来的富氮气来循环制冷，无需外部额外高压氮气循环制冷，以300kt/a合成氨系统计算，年可节省额外电费近1800万元，有效缓解了社会能源紧张。

附图说明

图1为合成氨合成气自循环深冷分离净化装置示意图；

图2为合成氨合成气自循环深冷分离净化方法示意图；

图中，深冷换热器1、富氢洗涤塔2、脱甲烷脱氩塔3、压缩机4、第一膨胀机5、第二膨胀机6、第一冷却器7、第二冷却器8、第三冷却器9、第一节流阀10、第二节流阀11、第三节流阀12、再沸器13。

具体实施方式

如图1所示，一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，包括深冷换热器1、富氢洗涤塔2、脱甲烷脱氩塔3、压缩机4、第一膨胀机5、第二膨胀机6、第一冷却器7、第二冷却器8、第三冷却器9、第一节流阀10、第二节流阀11、第三节流阀12、合成氨原料气管路、氮氢循环管路及及液化气管道，所述的脱甲烷脱氩塔3塔底内部设有再沸器13；

合成氨原料气管路穿过深冷换热器1与富氢洗涤塔2下部连接，富氢洗涤塔2底部通过液化气管路与第一节流阀10连接，并继续穿过深冷换热器1与脱甲烷脱氩塔3下部连接；脱甲烷脱氩塔3顶部通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器1依次与压缩机4、第一冷却器7连接；

第一冷却器7出口分为上下路，上路又分两支流，其中一支流通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器1与第一膨胀机5膨胀端连接，第一膨胀机5膨胀端出口穿过深冷换热器1并在其中部，与脱甲烷脱氩塔3顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流通过氮氢循环管路，依次与第一膨胀机5增压端、第二冷却器8、第二膨胀机6增压端、第三冷却器9连接；

第三冷却器9出口通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器1并在其中部再次分为两支流，其中一支流与第二膨胀机6膨胀端连接，第二膨胀机6膨胀端出口与脱甲烷脱氩塔3顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流与脱甲烷脱氩塔3塔底内部的再沸器13连接；

脱甲烷脱氩塔3塔底内部的再沸器13出口通过氮氢循环管路再次分为两支流，其中一支流依次与第二节流阀11、富氢洗涤塔2上部连接；另一支流依次与第三节流阀12、脱甲烷脱氩塔3上部连接。

所述的富氢洗涤塔2顶部与第一冷却器7出口下路形成汇流，再与氮氢合成压缩装置连接。

所述的脱甲烷脱氩塔3底部的液化气管道，穿过深冷换热器1与液化天然气收集装置连接。

所述的脱甲烷脱氩塔3中部与富氩气体收集装置连接。

如图2所示，一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置的深冷净化方法包括以下步骤：

1）合成氨原料气a经过深冷换热器1热交换后进入到富氢洗涤塔2下部,自下而上与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在富氢洗涤塔2塔顶得到富氢混合气c，其氢气、氮气摩尔比为3.0~3.2:1，无氩气、甲烷，富氢混合气c经深冷换热器1热交换后传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；在富氢洗涤塔2塔底得到釜液d，其氢气、氮气、氩气、甲烷摩尔比为1:20~23:0.9~1:13~16；

2）釜液d通过第一节流阀10节流减压后，经过深冷换热器1热交换后进入到脱甲烷脱氩塔3与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在脱甲烷脱氩塔3塔顶得到富氮混合气e，其氢气、氮气摩尔比为1:19~22，无氩气、甲烷；在脱甲烷脱氩塔3中部出口得到富氩气体；在脱甲烷脱氩塔3塔底得到液化天然气，并经深冷换热器1热交换后传输至液化天然气收集装置进行收集；

3）富氮混合气e，首先与第二膨胀机6膨胀端出口的富氮混合气汇合，然后经过深冷换热器1并在其中部与第一膨胀机5膨胀端出口的富氮混合气汇合，经过深冷换热器1热交换后，依次经过压缩机4压缩、第一冷却器7冷却后，其中部分富氢混合气进入下路管道与富氢混合气c汇合传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；

4）另一部分富氮混合气e进入上路管路分为两支流，其中一支流f，依次经过深冷换热器1热交换、第一膨胀机5膨胀端膨胀，再次经过深冷换热器1并在其中部，与脱甲烷脱氩塔3顶部出来的富氮混合气e汇合形成小循环；

5）另一支流g依次经过第一膨胀机5增压端压缩、第二冷却器8冷却、第二膨胀机6增压端压缩及第三冷却器9冷却处理后，经过深冷换热器1热交换，并在其中部又分为两支流；其中一支流h输送至第二膨胀机6膨胀端膨胀处理后，与脱甲烷脱氩塔3顶部出来的富氮混合气e汇合形成大循环；

6）另一支流h输送至脱甲烷脱氩塔3塔底内部的再沸器13，经再沸器13汽化处理后，再次分为两支流，其中一支流i经第二节流阀11,进入富氢洗涤塔2塔顶对合成氨原料气a进行洗涤，另一支流j经第三节流阀12节流减压后，进入脱甲烷脱氩塔3塔顶对汽化的釜液d进行洗涤。

合成氨合成气自循环深冷分离净化方法，所述的甲烷脱氩塔3塔内的操作压力为410~490KPaG；步骤5）中依次经过第一膨胀机5增压端压缩、第二冷却器8冷却、第二膨胀机6增压端压缩及第三冷却器9冷却处理后支流g，经过深冷换热器1热交换，在其中部的富氮混合气e温度为-105~-135℃；步骤6）中进入再沸器13的支流g，其内部富氮混合气e温度为-175~-185℃。

Claims (8)

1.一种合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，其特征在于包括深冷换热器（1）、富氢洗涤塔（2）、脱甲烷脱氩塔（3）、压缩机（4）、第一膨胀机（5）、第二膨胀机（6）、第一冷却器（7）、第二冷却器（8）、第三冷却器（9）、第一节流阀（10）、第二节流阀（11）、第三节流阀（12）、合成氨原料气管路、氮氢循环管路及液化气管道，所述的脱甲烷脱氩塔（3）塔底内部设有再沸器（13）；

合成氨原料气管路穿过深冷换热器（1）与富氢洗涤塔（2）下部连接，富氢洗涤塔（2）底部通过液化气管路与第一节流阀（10）连接，并继续穿过深冷换热器（1）与脱甲烷脱氩塔（3）下部连接；脱甲烷脱氩塔（3）顶部通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器（1）依次与压缩机（4）、第一冷却器（7）连接；

第一冷却器（7）出口分为上下路，上路又分两支流，其中一支流通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器（1）与第一膨胀机（5）膨胀端连接，第一膨胀机（5）膨胀端出口穿过深冷换热器（1）并在其中部，与脱甲烷脱氩塔（3）顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流通过氮氢循环管路，依次与第一膨胀机（5）增压端、第二冷却器（8）、第二膨胀机（6）增压端、第三冷却器（9）连接；

第三冷却器（9）出口通过氮氢循环管路，穿过深冷换热器（1）并在其中部再次分为两支流，其中一支流与第二膨胀机（6）膨胀端连接，第二膨胀机（6）膨胀端出口与脱甲烷脱氩塔（3）顶部的氮氢循环管路连接形成汇流；另一支流与脱甲烷脱氩塔（3）塔底内部的再沸器（13）连接；

脱甲烷脱氩塔（3）塔底内部的再沸器（13）出口通过氮氢循环管路再次分为两支流，其中一支流依次与第二节流阀（11）、富氢洗涤塔（2）上部连接；另一支流依次与第三节流阀（12）、脱甲烷脱氩塔（3）上部连接。

2.根据权利要求1所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，其特征在于所述的富氢洗涤塔（2）顶部与第一冷却器（7）出口下路形成汇流，再与氮氢合成压缩装置连接。

3.根据权利要求1所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，其特征在于所述的脱甲烷脱氩塔（3）底部的液化气管道，穿过深冷换热器（1）与液化天然气收集装置连接。

4.根据权利要求1所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化装置，其特征在于所述的脱甲烷脱氩塔（3）中部与富氩气体收集装置连接。

5.一种如权利要求1所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化装置的净化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）合成氨原料气a经过深冷换热器（1）热交换后进入到富氢洗涤塔（2）下部,自下而上与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在富氢洗涤塔（2）塔顶得到富氢混合气c，其氢气、氮气摩尔比为3.0~3.2:1，无氩气、甲烷，富氢混合气c经深冷换热器（1）热交换后传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；在富氢洗涤塔（2）塔底得到釜液d，其氢气、氮气、氩气、甲烷摩尔比为1:20~23:0.9~1:13~16；

2）釜液d通过第一节流阀（10）节流减压后，经过深冷换热器（1）热交换后进入到脱甲烷脱氩塔（3）与顶部自上而下的低温液态富氮氢b进行气液两相逆流接触发生相际传质，从而在脱甲烷脱氩塔（3）塔顶得到富氮混合气e，其氢气、氮气摩尔比为1:19~22，无氩气、甲烷；在脱甲烷脱氩塔（3）中部出口得到富氩气体；在脱甲烷脱氩塔（3）塔底得到液化天然气，并经深冷换热器（1）热交换后传输至液化天然气收集装置进行收集；

3）富氮混合气e，首先与第二膨胀机（6）膨胀端出口的富氮混合气汇合，然后经过深冷换热器（1）并在其中部与第一膨胀机（5）膨胀端出口的富氮混合气汇合，经过深冷换热器（1）热交换后，依次经过压缩机（4）压缩、第一冷却器（7）冷却后，其中部分富氢混合气进入下路管道与富氢混合气c汇合传输至氮氢合成压缩装置进行合成氨反应；

4）另一部分富氮混合气e进入上路管路分为两支流，其中一支流f，依次经过深冷换热器（1）热交换、第一膨胀机（5）膨胀端膨胀，再次经过深冷换热器（1）并在其中部，与脱甲烷脱氩塔（3）顶部出来的富氮混合气e汇合形成小循环；

5）另一支流g依次经过第一膨胀机（5）增压端压缩、第二冷却器（8）冷却、第二膨胀机（6）增压端压缩及第三冷却器（9）冷却处理后，经过深冷换热器（1）热交换，并在其中部又分为两支流；其中一支流h输送至第二膨胀机（6）膨胀端膨胀处理后，与脱甲烷脱氩塔（3）顶部出来的富氮混合气e汇合形成大循环；

6）另一支流h输送至脱甲烷脱氩塔（3）塔底内部的再沸器（13），经再沸器（13）汽化处理后，再次分为两支流，其中一支流i经第二节流阀（11）,进入富氢洗涤塔（2）塔顶对合成氨原料气a进行洗涤，另一支流j经第三节流阀（12）节流减压后，进入脱甲烷脱氩塔（3）塔顶对汽化的釜液d进行洗涤。

6.依据权利要求5所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化方法，其特征在于所述的脱甲烷脱氩塔（3）塔内的操作压力为410~490KPaG。

7.根据权利要求5所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化方法，其特征在于所述的步骤5）中依次经过第一膨胀机（5）增压端压缩、第二冷却器（8）冷却、第二膨胀机（6）增压端压缩及第三冷却器（9）冷却处理后支流g，经过深冷换热器（1）热交换，在其中部的富氮混合气e温度为-105~-135℃。

8.根据权利要求5所述的合成氨合成气自循环深冷分离净化方法，其特征在于所述的步骤6）中进入再沸器（13）的支流g，其内部富氮混合气e温度为-175~-185℃。