CN110017665A - 具有内部冷却回路的氨合成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于氨合成的方法,其中,主要由氢和氮组成的新鲜气体(5)经由压缩机(C)压缩并接着输入给氨转换器(K),以转换成含氨的、包括氢和氮的转换器产物(26)。氨(6)在新鲜气体压缩机(C)上游蒸发到新鲜气体(5)中,以冷却新鲜气体并产生冷的、包括氨和新鲜气体的混合物料(9)。混合物料在换热器(E2)中被待冷却的氨合成过程流(10)加热,经由新鲜气体压缩机(C)压缩,以获得压缩的、包括氨和新鲜气体的混合物料(18)。在循环冷却器(E2)上游给包括新鲜气体的物料流(7)输入主要由氢和氮组成的混合气体(8),该混合气体的组成成分从转换器产物(26)和/或压缩的、包括氨和新鲜气体的混合物料(18)分离出。

Description

具有内部冷却回路的氨合成
技术领域
本发明涉及一种用于合成氨的方法,其中,主要由氢和氮组成的新鲜气体通过压缩机(新鲜气体压缩机)压缩,然后输入给氨转换器,以转换成含氨的、包括氢和氮的转换器产物,其中,新鲜气体压缩机上游的氨蒸发到新鲜气体中,以冷却新鲜气体并产生冷的氨以及产生包括新鲜气体的混合物,该混合物在换热器(循环冷却器)中通过至少一个待冷却的氨合成过程流加热,然后通过新鲜气体压缩机被压缩,以获得压缩的、包括氨和新鲜气体的混合物料。
背景技术
根据现有技术,在工业规模上,用含碳的能量载体例如天然气、石油、煤或生物质来生产氨,这些能量载体在这种情况下在第一工艺步骤中转换为粗合成气。然后将粗合成气在进一步的工艺步骤中制备成主要由氢和氮组成的合成气,在该合成气中,两种气体在20至30巴(a)的压力下以用于氨合成的化学计量比3:1存在。然后将合成气作为新鲜气体输入给氨合成回路,其中,它在通过新鲜气体压缩机压缩后以120和180巴(a)之间的压力进入氨转换器中,以便在与催化载体的放热反应中转换成氨。然而,由于热力学限制,该转换仅不完全地发生,使得产生转换器产物,该转换器产物除了氨之外还含有显著的氢和氮。产物气体以400-450℃之间的温度离开转换器,随后在一系列换热器中冷却,以使形成的氨通过冷凝而沉积并获得主要由氢和氮气组成的剩余气体,该剩余气体为了提高氨产率而被导送返回并与新鲜气体一起作为进料气体添加给氨转换器。
为了实现足够高的氨沉积速率,转换器产物有利地冷却到10℃至-5℃之间的温度水平。必要时,必须将所得的氨产物进一步冷却至-33℃,以便能够实现其在无压罐中的大气压储存。为该冷却目的所需的冷却功率或者在外部产生,或者由内部的、集成在氨合成过程中的冷却回路来提供,如同例如在公开文献DE3707605A1中所描述的那样。
为了在外部产生冷,在封闭的冷却回路中引导制冷剂,该制冷剂例如是氨,该制冷剂在与氨合成的至少一个待冷却的过程流的间接热交换中在低压下蒸发,并且在通过制冷剂压缩机压缩后在提高的压力下再冷凝。
在DE3707605A1中也用氨作为制冷剂,然而在这里,氨不在闭合回路中被引导,而是在新鲜气体在新鲜气体压缩机中压缩之前液态地添加到新鲜气体中,其中,它大部分蒸发。在蒸发时产生冷,该冷用于满足冷阱的冷却需求并且必要时用于将从转换器产物分离出来的氨冷却至所希望的最终温度。在该变型中也需要的蒸发制冷剂的压缩与新鲜气体一起通过新鲜气体压缩机进行,从而可以省去单独的制冷剂压缩机。
从现有技术中已知的内部冷却回路允许降低氨合成的投资成本,这尤其对于小型氨设备有意义,在这类设备中,具有其自身制冷剂压缩机的外部冷却回路占设备成本的大部分。然而,内部冷却回路的冷却能力受到可蒸发的氨量的限制,可蒸发的氨量取决于压力、温度以及同样受限的新鲜气体量,因此在有些情况下氨量不足以满足氨合成的制冷需求。
发明内容
本发明的目的是,提供一种所述类型的方法,利用该方法可以克服现有技术的所述缺点。
根据本发明,该目的通过以下方式实现:在循环冷却器上游给包括新鲜气体的物料流输入主要由氢和氮组成的混合气体,混合气体的组分从转换器产物和/或压缩的、包含氨和新鲜气体的混合物料分离出来。
包括新鲜气体并且被输入以主要由氢和氮组成的混合气体的物料流可以是新鲜气体或由新鲜气体通过混合液氨而形成的物料流。
通过本发明,可以实现一种内部冷却回路,其与现有技术相比具有提高的冷却性能,因为在第一换热器上游的新鲜气体量不变的情况下可提供更大的气体量,该气体量允许为了产生冷而比现有技术蒸发更多的氨。内部冷却回路的冷却能力可以通过根据本发明的流量引导而在宽的范围内适应氨合成的制冷需求。
在循环冷却器上游的包括新鲜气体的物料流中以这种程度增加氢和氮的量是有意义的:尽管完全提供合成氨所需的冷却能力,但不会产生过多的冷量。
优选,根据本发明,输入的混合气体具有与新鲜气体相同的氢/氮比,该新鲜气体通常以3:1的化学计量比引入氨合成中。然而,如果将输入给氨转换器的进料气体(新鲜气体用于制备该进料气体)的组分在更下游处调节到该化学计量比,则不应排除与此不同的氢/氮比。
在循环冷却器中,氨以及包括新鲜气体的混合物料的加热优选只通过转换器产物进行,其中,在转换器产物中所含的氨冷凝并形成两相的混合物料。然而不排除通过氨合成的其它过程流或多个过程流来加热,转换器产物也可以属于这种过程流。
为了充分利用内部冷却回路的潜力并且不会不必要地增加流向新鲜气体压缩机的物料流,有意义的是,这样控制以液体输入的氨的量,使得包括新鲜气体的混合物料以氨饱和的气相离开循环冷却器。其先决条件是,在循环压缩机的上游,混合物料是两相的,具有由氨组成的液相,该液相在循环冷却器中的热吸收过程中在最佳情况下完全蒸发。然而在实践中,两相混合物料也会在其中少量氨形成液相的情况下离开循环冷却器。
优选,在新鲜气体压缩机中压缩并包括新鲜气体的混合物料在与在循环冷却器中冷却后的转换器产物合并后经历氨分离,以便获得主要由氢和氮组成的混合气体,用于在循环冷却器上游添加到包括新鲜气体的物料流中。然而也可以是,由在新鲜气体压缩机中压缩的、包括新鲜气体的物料流或者由在循环压缩机中冷却的转换器产物通过氨的分离来获得主要由氢和氮组成的混合气体。
在此,在新鲜气体压缩机中压缩的、包括新鲜气体的物料流的压力和在循环压缩机中冷却的转换器产物的压力均高于100巴(a)。为了分离氨,将这些物料流之一或将由两者形成的物料流符合目的地(必要时在冷却以使氨冷凝之后)带有小的压力损失地在分离器中分离成液态氨以及主要由氢和氮组成的气相,该气相由于其组分而适用于根据本发明在循环冷却器上游输入给包括新鲜气体的物料流,该物料流如上所述以约30巴(a)的明显较低的压力存在。
为了在能量方面利用存在的压力差,建议,在一个步骤中,在分离器中获得的主要由氢和氮组成的气相的至少一部分做功地经由膨胀机做功膨胀至包括新鲜气体的物料流的压力。在这种类型的膨胀中,混合气体经历明显的冷却,该冷却可以直接被利用来为氨合成提供冷量。为了防止在要膨胀的混合气体中所含的氨发生冷凝并导致膨胀机损坏,进一步提出,加热混合气体并将其以能可靠地排除氨冷凝的温度输入给膨胀机。该加热可以例如通过在新鲜气体压缩机中压缩的、包括新鲜气体的物料流来进行,以使所含的氨冷凝。
另一种可能性是,使用节流机构体来使混合气体膨胀。在这种情况下,即使在单级膨胀的情况下也可以省去对混合气体的加热,因为对冷凝的氨不敏感的节流机构是从现有技术已知并且可用的。然而缺点是,在这种情况下比在通过膨胀器膨胀的情况下产生明显较少的冷量。
作为第三种可能性,建议,在至少两个步骤中执行膨胀,其中,一个步骤通过膨胀器进行,第二步骤通过节流机构进行。在此,如果由于节流机构上的压力损失而使留给膨胀器的压力降不足以发生氨冷凝,也可以省去对要膨胀的混合气体的加热。
附图说明
在下文中参考图1中示意性示出的实施例更详细地解释本发明。
图1示出根据本发明的用于氨合成的方法的优选方案。
具体实施方式
在20至30巴(a)之间的压力下存在的、主要由氢和氮组成的新鲜气体1在预冷却器E1中通过冷却剂流2预冷却,冷却剂流2由预冷却的新鲜气体1的第一部分3以及液氨4形成。为了能够完全利用预冷却的新鲜气体部分3的冷却潜力,液氨4的量这样确定:使得在预冷却器E1中加热后的冷却剂流29中也存在液氨,该液氨随后在低压分离器D1中与氨饱和的气相分离。
为了进一步降低温度,给预冷却的新鲜气体1的第二部分5也混入液氨6,由于新鲜气体5的压力、温度和量,液氨6起初只有一小部分蒸发。为了降低氨分压并且能够使更大量的氨蒸发,给包括新鲜气体的、含液氨的物料流7也混入主要由氢和氮组成的气体流8,其中,产生两相的混合物料9,其被导入被称为循环冷却器的换热器E2中,在换热器E2中,当在氨转换器K中获得的转换器产物10冷却时,液氨的极大部分蒸发。留下的液氨剩余部分在低压分离器D1中分离,从低压分离器的底部取出氨11作为液体产物。主要由氢和氮组成的、含氨的气相12通过顶部离开低压分离器D1,以便在新鲜气体压缩机C的第一级C1中被压缩至约40至60巴(a)的中间压力。
在中间冷却器E3中,使用冷却水13而足以使得从被压缩至中间压力的气相12中冷凝出一部分所含的氨并产生两相的混合物料14,该混合物料被引入中压分离器D2中以分离液氨。分离的氨经由管路15从中压分离器D2的底部取出,并且在经由节流机构a膨胀后被引入到低压分离器D1中。在中压分离器D2中获得的气相16在被引入到冷凝器E4中之前在新鲜气体压缩机C的第二级C2中升高压力,以便借助于冷却水17进一步冷凝出氨。在冷凝器E4中形成的两相混合物料18在新鲜气体冷却器E5中通过很大程度上不含氨地从高压分离器D3输入的、主要由氢和氮组成的气相19被进一步带走热量,以便冷凝出另外的氨并获得两相的混合物料20,该混合物料与在循环冷却器E2中从转换器产物10获得的、也是两相的混合物料21一起合并成物料流22,并且被引入高压分离器D3中以便分离为产生冷所需的液氨23。
主要由氢和氮组成的气相19以115到175巴(a)之间的压力和3:1的氢/氮比存在,该气相在新鲜气体冷却器E5中加热之后分支出分流24,该分流在膨胀机T中做功膨胀之后通过管路8输入给包括新鲜气体的、含液氨的物料流7。
替换地,也可以在新鲜气体冷却器E5的上游从主要由氢和氮组成的气相19分支出分流24',该分流在通过管路8导入到物料流7中之前经由节流机构b膨胀。
主要由氢和氮组成的气相19的剩余部分25在新鲜气体压缩机C的第三级C3中被压缩至120到180巴(a)之间的压力,并且在换热器E6中通过热的转换器产物26加热之后作为进料气体输入给氨转换器K,转换器产物26已经在过程气体冷却器E7中在产生蒸汽27的情况下通过锅炉给水28预冷却。在换热器E6中冷却的转换器产物26被引入冷凝器E4中,以借助冷却水17冷凝出氨并获得两相的物料流10。

Claims (10)

1.用于氨合成的方法,在该方法中,主要由氢和氮组成的新鲜气体(5)经由压缩机(C)(新鲜气体压缩机)压缩并接着输入给氨转换器(K),以转换成含氨的、包括氢和氮的转换器产物(26),其中,氨(6)在新鲜气体压缩机(C)的上游蒸发到新鲜气体(5)中,以冷却新鲜气体并产生冷的、包括氨和新鲜气体的混合物料(9),所述混合物料在换热器(循环冷却器)(E2)中通过所述氨合成的至少一个待冷却的过程流(10)被加热并且然后经由新鲜气体压缩机(C)被压缩,以获得压缩的、包括氨和新鲜气体的混合物料(18),其特征在于,在所述循环冷却器(E2)的上游给包括新鲜气体的物料流(7)输入主要由氢和氮组成的混合气体(8),该混合气体的组成成分从所述转换器产物(26)和/或从压缩的、包括氨和新鲜气体的所述混合物料(18)分离出来。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将所述主要由氢和氮组成的混合气体(8)输入给新鲜气体(5)或输入给由新鲜气体(5)通过混合液氨(6)形成的物料流(7)。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,控制输入的液氨(6)的量,使得包括新鲜气体的混合物料(9)以氨饱和的气相离开循环冷却器(E2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述冷的、包括氨和新鲜气体的混合物(9)在所述循环冷却器(E2)中通过所述转换器产物(10)加热,其中,所述转换器产物(10)中含的氨被冷凝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其特征在于,在新鲜气体压缩机(C)中压缩的、包括新鲜气体(5)的混合物料(18)在与在循环冷却器(E2)中冷却的转换器产物(21)合并后经历氨分离,以获得所述主要由氢和氮组成的混合气体(8),用于在循环冷却器(E2)上游混入包括新鲜气体的物料流(7)中。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述氨分离在分离器(D3)中进行,从所述分离器(D3)取出主要由氢和氮组成的气相(19)以及液氨(23)。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述分离器中获得的主要由氢和氮组成的气相(19)的一部分在一个步骤中做功地通过膨胀器(E)做功膨胀到包括新鲜气体的物料流(7)的压力。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述分离器中获得的主要由氢和氮组成的气相(19)的一部分在一个步骤中经由节流机构(b)膨胀到包括新鲜气体的物料流(7)的压力。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述分离器中获得的主要由氢和氮组成的气相(19)的一部分在第一步骤中经由膨胀器膨胀,在第二步骤中经由节流机构膨胀到包括新鲜气体的物料流(7)的压力。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法,其特征在于,将主要由氢和氮组成的气相(19)的待膨胀的部分加热。
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