CN1114558C - 联产氨和甲醇的方法和所用的设备 - Google Patents
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Abstract
在包括串联设置的第一个一级蒸汽转化段(11)和二级蒸汽转化段(12)，氨合成段(13)和甲醇合成段(22)的设备上联产氨和甲醇的方法，其特征在于氨和甲醇是通过各自独立的合成工艺生产的，其中甲醇生产中蒸汽转化所需的热量优选地通过利用来自氨合成工艺中的二级蒸汽转化段(12)的气流中的高热含量而获得。
Description
本发明涉及一种在这样一设备中联产氨和甲醇的方法。该设备包括串联排列的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段、氨合成段和甲醇合成段。所述方法包括下列步骤：-将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段；-使甲烷和蒸汽在第一个一级蒸汽转化段随后在二级蒸汽转化段中反应得到含有CO、CO2和H2的第一气相。
在以下的说明书和后面的权利要求书中，术语“原地”现代化可以理解为是对现有反应器进行现场改造以改进其性能，从而获得例如更高的生产能力和/或更高的转化率和/或降低能耗。
在以下的说明书和后面的权利要求书中，术语“合成段”可以理解为通常是指与氨或甲醇生产相关并且在操作中处于蒸汽转化段下游的那部分设备中所有的部分。
在以下的说明书和后面的权利要求书中，术语“甲烷”可以理解为通常是指氢和碳的原料来源，例如甲烷本身或液体和/或气体烃的混合物，如天然气和石脑油。
本发明还涉及实施上述方法的联产氨和甲醇的设备，以及涉及氨合成设备的现代化方法，及氨和甲醇联产设备的现代化方法。
众所周知，在氨和甲醇的联产领域有这样一种日益增长的需求，即提供在低的操作费用和投资费用及低能耗的条件下能够获得高生产能力又简单易行的方法。
为满足上述需求，最近在该领域已出现各种联产氨和甲醇的合成方法，其中使来自氨合成设备中二级蒸汽转化段的富含CO、CO2，和H2的气体流送入生产甲醇的合成段中。未反应的气体随后再送入合成氨设备的合成段中。
虽然这些方法有很多优点，但上述方法存在一系列缺点，首先氨的生产能力和甲醇的生产能力密切相关并且主要取决于能够送入蒸汽转化段中的甲烷和蒸汽的载荷。
换句话说，由于根据这些方法运行的联产设备的总生产能力基本上是由蒸汽转化段的载荷能力决定的，因此在满载操作条件下甲醇产量的增加便不可避免地会引起大约相等的氨产量的减少，反之亦然。
这就意味着如果氨和甲醇二者均需要获得高的生产能力，根据现有技术中的方法，就需要将蒸汽转化段相应地加大尺寸，以便能够保证提供为获得所需生产能力的反应物的载荷。此外，氨和甲醇的合成段还必须有一定的余量，以满足由于甲醇和氨产量变化引起的任何载荷的增加。
因此，如果氨和甲醇二者均需要获得高的生产能力，实施上述方法的联产设备便会具有相当复杂的结构，高投资和高操作费用，以及高能耗。
由于上述缺点，虽然在工业上的需求日益增长，但现有技术中的氨和甲醇的联产方法迄今未得到应用。
本发明要解决的问题是提供一种在低的投资费用和操作费用及低能耗的条件下，能够得到高的氨和甲醇生产能力又简单易行的联产氨和甲醇的方法。
根据本发明，该问题是由上述联产氨和甲醇的方法解决的，该方法包括在包括串联设置的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段，氨合成段和甲醇合成段的设备上联产氨和甲醇的方法，所述方法包括下列步骤：
-将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段；
-使所述甲烷和蒸汽在所述的第一个一级蒸汽转化段中并随后在所述的二级蒸汽转化段中反应，得到含有CO、CO2和H2的第一气相；其特征是包括下列步骤：-将甲烷和蒸汽送入在‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段中限定的反应区中；-将第一气相从外部送入第二个一级蒸汽转化段的反应区中；-使甲烷和蒸汽在反应区中通过与第一气相进行间接热交换反应，得到含有CO、CO2和H2的第二气相；-将来自于第二个一级蒸汽转化段的第一气相送入氨合成段中；-将来自于第二个一级蒸汽转化段的第二气相送入甲醇合成段中。
在以下的说明书和后面的权利要求书中，术语：‘交换器’型的一级蒸汽转化段可以理解为是指生产CO、CO2和H2的一级蒸汽转化段，其中反应热不是通过燃烧燃料(如天然气或石脑油)提供，而是由与送入该反应器中的热气流进行间接热交换来提供。在此具体情况下，热气流是指来自二级蒸汽转化段的第一气相。
‘交换器’型的蒸汽转化段通常是本专业已知的，并且通常用于氨合成工艺中代替一级蒸汽转化段。
在所定义的这些蒸汽转化段中有一个气体反应物通过的反应区。蒸汽转化反应有可能通过热气流从外部传递给反应区的热来完成。
这种类型的蒸汽转化段是由例如许多填充催化剂的导管组成，其外部(管壳侧)流动着能够提供反应热的热气体，该反应热通过间接热交换传递给流动在导管中(管侧)的较冷的气体，使它反应。
‘交换器’型的蒸汽转化段也可以由许多邻接的相间地填充催化剂的容器组成，其中使热气体和冷气体分别在空的容器和填充的容器中流动。为此，将容器制成如相互平行的间隔层或同心圆柱体。
优选地，根据本发明有可能得到一种独立生产氨和甲醇的方法，该方法可以用简单的方式，以低投资和低操作费用及低能耗而获得高的生产能力。
的确，根据本发明，来自二级蒸汽转化段的第一气相中的高热含量可以优选地用作反应热以便在第二个一级转化段中生产含有CO、CO2和H2的用于甲醇合成工艺中的第二气相。
在此方法中，具有现有技术的联产方法中所有的缺点的氨和甲醇的合成气的生产不再发生在共用的蒸汽转化段中。根据本发明的方法要求在第二个独立的一级蒸汽转化段生产甲醇合成气。
优选地，将甲烷和蒸汽送入第二个一级蒸汽转化段中，在该蒸汽转化段中反应是通过与来自合成氨方法中的二级蒸汽转化段的气相进行间接热交换而进行的，由于回收气体中的热，避免了使用联产方法的外部能源，如通常用于蒸汽转化段的燃料。
优选地，来自二级蒸汽转化段并送入第二个一级转化段的第一气相的温度在900℃和1100℃之间，以提供确保送入第二个一级蒸汽转化段中的甲烷和蒸汽几乎完全转化的热能。
优选地，根据本发明的方法还包括下列附加步骤：-获取至少一部分来自所述第二个一级蒸汽转化段的所述第二气相；-将这至少一部分第二气相送入第一个一级蒸汽转化段中。
由于本发明这种具体方案，可以根据所需的甲醇的生产量来控制送入甲醇合成段中的气体量。此外，用这一方法有可能满足这样一种情况：在这种情况下，由于市场需要或合成段维修的原因，暂时不需要生产甲醇。
第二个一级蒸汽转化段中产生的含有CO、CO2和H2的，未送入甲醇合成段的过量气体优选循环到第一个一级蒸汽转化段中，以减少送入第一个一级蒸汽转化段的甲烷和蒸汽的载荷，并因此也减少该蒸汽转化段中的热耗。
根据本发明的联产方法优选还包括下列附加步骤：-获取来自甲醇合成段中的含有CO、CO2和H2的吹扫气流；-将该吹扫气流送入第一个一级蒸汽转化段中。
以此方式，来自甲醇合成段并富含CO、CO2和H2的净化气流可以优选地被回收并再循环到第一个一级蒸汽转化段中，以减少送入到第一个一级蒸汽转化段中的甲烷和蒸汽的载荷，并因此减少该蒸汽转化段中的热耗和联产设备的总能耗。
为了实施上述方法，本发明最好利用这样一个联产氨和甲醇的设备，该设备包括：-串联设置的以获得含有CO、CO2和H2的第一气相的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段；-将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段的装置；-氨合成段；-甲醇合成段；其特征是包括：-以获得含有CO、CO2和H2的第二气相的‘交换器’型的第二个一级转化段；-将甲烷和蒸汽送入在第二个一级蒸汽转化段(21)限定的反应区中的装置(3)；-在二级蒸汽转化段和第二个一级蒸汽转化段间的用于将第一气相从外部送入反应区中的连接装置；-第一气相与第二个一级蒸汽转化段中甲烷和蒸汽间进行间接热交换的装置；-在第二个一级蒸汽转化段和甲醇合成段之间的用于将含有CO、CO2和H2的第二气相送入后者中的连接装置；-在第二个一级蒸汽转化段和氨合成段之间用于将所述的第一气相送入后者中的连接装置。
在本发明的一个优选方案中，提供的设备特征是包括与所述甲醇合成段(22)流体相通的段，它用于通过与冷水间接热交换，冷却来自所述第二个一级蒸汽转化段(21)的所述的第二气相。
在上述设备的进一步优选方案中，该设备的特征是在所述第二个一级蒸汽转化段(21)和所述第一个一级蒸汽转化段(11)间装有用于将至少一部分来自所述第二个一级蒸汽转化段(21)的所述第二气相送入后者中的连接装置(5)。
在上述设备的进一步优选方案中，该设备的特征是在所述甲醇合成段(22)和所述第一个一级蒸汽转化段(11)间装有用于将来自所述甲醇合成段(22)的含有CO、CO2和H2的吹扫气流送入后者中的连接装置(6)。
根据本发明的另一方面，本发明提供使此类氨合成设备(该设备包括串联设置的以获得含有CO、CO2和H2的第一气相的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段，将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段中的设备，氨合成段)现代化的方法，所述方法包括下列步骤：-提供甲醇合成段；-提供‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段；-提供将甲烷和蒸汽送入在第二个一级蒸汽转化段中限定的反应区中的装置；-在二级蒸汽转化段和第二个一级蒸汽转化段之间提供用于将第一气相从外部送入反应区中的连接装置；-提供第一气相与第二个一级蒸汽转化段中的甲烷和蒸汽间进行间接热交换的装置；-在第二个一级蒸汽转化段和甲醇合成段之间提供用于将含有CO、CO2和H2的第二气相送入后者中的连接装置；-在第二个一级蒸汽转化段和氨合成段之间提供用于将所述的第一气相送入后者中的连接装置。
根据本发明的另一方面，本发明提供使此类氨和甲醇联产设备(该设备包括串联设置的以获得含有CO、CO2和H2的第一气相的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段，将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段中的设备，氨合成段，甲醇合成段)现代化的方法，所述方法包括下列步骤：-提供‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段；-提供将甲烷和蒸汽送入在第二个一级蒸汽转化段中限定的反应区中的装置；-在二级蒸汽转化段和第二个一级蒸汽转化段之间提供用于将第一气相从外部地送入反应区中的连接装置；-提供第一气相与第二个一级蒸汽转化段中的甲烷和蒸汽间进行间接热交换的装置；-在第二个一级蒸汽转化段和甲醇合成段之间提供用于将含有CO、CO2和H2的第二气相的送入后者中的连接装置；-在第二个一级蒸汽转化段和氨合成段之间提供用于将所述的第一气相送入后者中的连接装置。
根据现有设备的上述现代化方法，有可能得到一种简单易行的能够在低操作费用和低投资费用及低能耗下而又使氨和甲醇二者均获得高生产能力的联产氨和甲醇的方法。
按照本发明的一个优选方法，其特征在于提供用于通过与冷却水的间接热交换，使来自第二个一级蒸汽转化段的所述的第二气相冷却的段，该段与所述的甲醇合成段(22)流体相通。
按照本发明的一个优选方法，其特征在于在所述第二个一级蒸汽转化段(21)和所述第一个一级蒸汽转化段(11)之间有用于将至少一部分所述第二气相送入后者中的连接装置(5)。
按照本发明的一个优选方法，其特征在于在所述的甲醇合成段(22)和所述的第一个一级蒸汽转化段(11)之间有用于将来自所述甲醇合成段的含有CO、CO2和H2的吹扫气流送入后者中的连接装置(6)。
本发明的特征和优点可通过对下面非限制性实施例给出的方案的说明并参考附图进行说明。
图1是本发明的联产氨和甲醇的方法的方框图。
图1是对本发明的氨和甲醇的联产方法各步骤说明的方框图。
该方法可以同时得到氨(如1000至2500公吨/天)和甲醇(如700至1700公吨/天)的高生产能力。
编号10通常表示说明氨生产方法各步骤的方框图的一部分。
在氨生产方法的编号10这一部分，方框11，12和13分别是指第一个一级蒸汽转化段，二级蒸汽转化段和氨合成段。后者除了实际的合成段外，还包括高温和低温CO变换段，CO2分离器和甲烷化反应器。上述的一级和二级蒸汽转化段均是催化反应段。
编号20通常表示说明甲醇生产方法各步骤的方框图的一部分。
在甲醇生产方法的编号20这一部分，方框21和22分别是指第二个一级蒸汽转化段和甲醇合成段。后者除包括实际的合成段外，还包括H2O冷凝器和分离器及甲醇纯化装置。
优选地，方框21所示的第二个一级蒸汽转化段是‘交换器’型的，并且优选装有许多填充催化剂的导管(蒸汽转化反应在其中发生)的类型。
与方框11所示的第一个一级蒸汽转化段与投料管线1相连它代表含有甲烷和蒸汽的第一气体流的。该第一气体流的温度是氨设备的常规温度，如300到650℃。
穿过第一个一级蒸汽转化段和二级转化段(方框11和12)后，在第一气体流中的甲烷和蒸汽反应得到含有CO、CO2和H2的第一气相。
管线2代表来自方框12所示的二级蒸汽转化段的第一气相。气流2的温度优选在980℃和1050℃之间。
优选地，管线2通过方框21所示的第二个一级蒸汽转化段的壳侧，在此它通过与送入方框21管侧的含甲烷和蒸汽的气体流(管线3所示)间接热交换而冷却。
将在第二个一级蒸汽转化段(方框21)排气口的气流管线2送入在30℃至600℃温度下的氨合成段(方框13)中。
从方框13排出的气流2管线主要含氨。
将管线3代表的气流送入在200℃和600℃温度下的第二个一级蒸汽转化段(方框21)中。在此气流管线3优选地通过与管线2所示的气流间接热交换进行反应，得到含有CO、CO2和H2的第二气相。
管线4是指来自第二个一级蒸汽转化段(方框21)的第二气相。气流管线4的温度通常是700℃至1000℃。
将气流管线4送入方框22代表的甲醇合成段中，从方框22排出的气流管线4主要含甲醇。
生产氨或甲醇的合成段(分别是方框13和22)的操作条件，和其中发生的反应类型分别是氨和甲醇生产设备的常规条件，是本专业已知的，因此不再详述。
气流管线1至4的压力优选在1巴至60巴之间。
根据本发明的联产方法，将第一甲烷和蒸汽流送入第一个一级蒸汽转化段(方框11)中并使其在该蒸汽转化段接着在二级蒸汽转化段(方框11和12)中反应，得到含有CO、CO2和H2的第一气相。
优选地，根据本发明的另一些步骤，将甲烷和蒸汽流送入在第二个一级蒸汽转化段(方框21)中限定的反应区中。同时，将第一气相从外部送入二级蒸汽转化段的反应区中。在该反应区中甲烷和蒸汽通过与第一气相间接热交换反应，得到含有CO、CO2和H2的第二气相。然后将来自第二个一级蒸汽转化段的第一气相送入氨合成段(方框13)中，同时将第二气相送入甲醇合成段(方框22)中。
在此方法中，氨和甲醇在独立的合成方法中生产，其中甲醇生产方法中甲烷蒸汽转化反应所需的热可以优选通过利用来自氨生产方法中的二级蒸汽转化段的气流中的高热含量来获得。
根据本发明另一个特别优选的方案(但未示出)，联产方法还包括通过与冷水间接热交换而冷却来自第二个一级蒸汽转化段(方框21)的第二气相(管线4)，以得到高压和高温的蒸汽的附加步骤，如分别为5巴至130巴和150℃至550℃的蒸汽。
这样做，来自第二个一级蒸汽转化段的气体的热量优选被回收以生产高热含量的蒸汽，该蒸汽可以根据需要用于联产氨和甲醇的其它设备。经过上述冷却步骤后的气流管线4的温度优选是30℃至300℃。
来自方框21的气流管线4的热量另外还可以回收并通过间接热交换，用来预热送入第二个一级蒸汽转化段中的甲烷或含甲烷和蒸汽的气流。
根据本发明方法的另一个方案，一部分来自方框21的第二气相(管线4)可以优选送到氨合成方法的第一个一级蒸汽转化段(方框11)。这可根据甲醇的需要量来调整甲醇方法的生产能力，同时减少送入氨生产方法中的甲烷的载荷，而节省原料和能源。
在图1中，该方案由管线5所示的虚线表示。
如果只需要生产氨，则将来自方框21的所有第二气相优选地送入(管线5)氨生产方法的第一个一级蒸汽转化段(方框11)中，如图1所示，或直接送入二级转化段(方框12)中。
在根据本发明方法的另一个供选择的和特别优选的方案中，将来自甲醇合成段(方框22)的含有CO、CO2和H2的吹扫气流送入氨生产方法的第一个一级蒸汽转化段(方框11)中以进一步减轻送入该蒸汽转化段中的甲烷的载荷。
送入第一个一级蒸汽转化段中的吹扫气流的压力和温度通常分别是1巴至60巴之间和30℃至600℃之间。
在图1中，该方案由管线6所示的虚线表示。
根据本发明的联产氨和甲醇的设备包括由图1的方框11-13和21-22表示的各段。
在进气口和构成上述设备的各段之间分别有适宜的工业上已知的投料装置和连接装置，如图示的图1中装置1-6代表的管线，导管等等。
在方框21所示的第二个一级蒸汽转化段中还有适宜的使气流管线2和3之间间接热交换的装置。该装置可以包括一个或多个热交换器。
优选地，根据本发明的设备还有通过与冷水间接热交换而冷却来自方框21的气流4的冷却器(未示出)。此类冷却器可以包括如用于生产蒸汽的锅炉。
为了增加甲醇的产量，可将含有CO2的气流(未示出)优选加入管线3或4更优选管线4中。
事实上，由于通过管线4的气流通常富含H2，上述加入可以提高CO2/H2的化学计量比，从而改进甲醇合成条件。
根据本发明，使现有的联产氨和甲醇的设备[该设备包括串联设置的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段(方框11和12)、氨合成段(方框13)和甲醇合成段(方框22)]现代化的方法优选地有下列步骤：提供包括适宜的间接热交换装置的‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段(方框21)，提供投料于第二个一级蒸汽转化段(方框21)的适宜装置和提供二级蒸汽转化段与第二个一级蒸汽转化段(方框12和21)间的连接装置和第二个一级蒸汽转化段和氨和甲醇合成段(方框21，13，22)间的连接装置。
根据本发明使现有的氨合成设备现代化的方法除第二个一级蒸汽转化段外，还有提供甲醇合成段(方框22)的附加步骤。
优选地，在上述未示出的现代化方法的另一个方案中，将通过与冷水间接热交换而冷却气流4以生产高热含量蒸汽的冷却器安装在方框21和22之间。
此外，根据本发明现代化方法的另一个方案，优选在第二个和第一个一级蒸汽转化段(方框21和11)之间和甲醇合成段和第一个一级蒸汽转化段(方框11)之间有连接装置。在此方法中，有可能回收来自甲醇合成工艺中的过量CO、CO2和H2并将其送入氨合成工艺中以减轻送入氨生产设备的蒸汽转化段中的甲烷的载荷，从而降低能源和原料的消耗。
在只希望生产氨的特殊情况下，由于有第二个一级蒸汽转化段，就现有的氨合成设备来说，上述现代化方法优选使蒸汽转化段的生产量增加。
从上面所述可以清楚地看到本发明的许多优点。特别是提供了简单易行的，在低的操作费用和投资费用及低能耗下能够使氨和甲醇均获得高的生产能力的联产氨和甲醇的方法。而且，对氨合成设备或氨和甲醇联产设备的现代化有可能在氨的生产能力不变的同时获得高的甲醇生产能力。
Claims (9)
1.在包括串联设置的第一个一级蒸汽转化段和二级蒸汽转化段，氨合成段和甲醇合成段的设备上联产氨和甲醇的方法，所述方法包括下列步骤：
-将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段；
-使所述甲烷和蒸汽在所述的第一个一级蒸汽转化段中并随后在所述的二级蒸汽转化段中反应，得到含有CO、CO2和H2的第一气相；
其特征是包括下列步骤：
-将甲烷和蒸汽送入在‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段中限定的反应区中；
-将所述的第一气相从外部送入到所述的第二个一级蒸汽转化段中的所述反应区中；
-在所述的反应区中使所述甲烷和蒸汽通过与所述的第一气相间接热交换反应，得到含有CO、CO2和H2的第二气相；
-将来自于所述第二个一级蒸汽转化段的所述第一气相送入所述氨合成段中；和
-将来自于所述第二个一级蒸汽转化段的所述第二气相送入甲醇合成段中。
2.根据权利要求1的方法，其特征是送入第二个一级蒸汽转化段的第一气相的温度是900℃至1100℃。
3.根据权利要求1的方法，其特征是还包括通过与冷水间接热交换而冷却所述的来自第二个一级蒸汽转化段的第二气相，以获得高压和高温蒸汽的附加步骤。
4.根据权利要求1的方法，其特征是还包括下列附加步骤：
-获取至少一部分来自所述第二个一级蒸汽转化段的所述第二气相；和
-将所述这至少一部分第二气相送入所述第一个一级蒸汽转化段中。
5.根据权利要求1的方法，其特征是还包括下列附加步骤：
-获取来自所述甲醇合成段中的含有CO、CO2和H2的吹扫气流；
-将所述吹扫气流送入所述第一个一级蒸汽转化段中。
6.用于联产氨和甲醇的设备，它包括：
-串联设置的以获得含有CO，CO2和H2的第一气相的第一个一级蒸汽转化段(11)和二级蒸汽转化段(12)；
-将甲烷和蒸汽送入第一个一级蒸汽转化段(11)的装置；
-氨合成段(13)；
-甲醇合成段(22)；
其特征是包括：
-以获得含有CO、CO2和H2的第二气相的‘交换器’型的第二个一级蒸汽转化段(21)；
-将甲烷和蒸汽送入在第二个一级蒸汽转化段(21)限定的反应区中的装置；
-在所述的二级蒸汽转化段(12)和所述第二个一级蒸汽转化段(21)之间的用于将第一气相从外部送入反应区中的连接装置；
-所述第一气相与所述的第二个一级蒸汽转化段(21)中的所述甲烷和蒸汽间进行间接热交换的装置；
-在所述第二个一级蒸汽转化段(21)和甲醇合成段(22)之间的用于将含有CO、CO2和H2的第二气相送入后者中的连接装置；
-在所述第二个一级蒸汽转化段(21)和所述氨合成段(13)之间用于将所述的第一气相送入后者中的连接装置。
7.根据权利要求6的设备，其特征是包括与所述甲醇合成段(22)流体相通的段，它用于通过与冷水间接热交换，冷却来自所述第二个一级蒸汽转化段(21)的所述的第二气相。
8.根据权利要求6的设备，其特征是在所述第二个一级蒸汽转化段(21)和所述第一个一级蒸汽转化段(11)间装有用于将至少一部分来自所述第二个一级蒸汽转化段(21)的所述第二气相送入后者中的连接装置。
9.根据权利要求6的设备，其特征是在所述甲醇合成段(22)和所述第一个一级蒸汽转化段(11)间装有用于将来自所述甲醇合成段(22)的含有CO、CO2和H2的吹扫气流送入后者中的连接装置。
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