CN111470518B - 一种合成氨分离系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成氨分离系统，包括原料气供应装置、依次连通的氨气合成塔、第一换热器、第二换热器、氨冷凝器组和第一气液分离器，第一气液分离器的排气口与第二换热器的连通，原料气供应装置依次与第一换热器和氨气合成塔连通；系统中还设有串接的吸收塔和解吸塔，第二换热器的冷气出口与吸收塔的进气口连通，解吸塔上方的排气口与第一换热器的热气进口连通；吸收塔上方的排气口与第一换热器冷气进口通过管道连通，解吸塔的下端出口与吸收塔上部的进口通过管道连通。本发明采用二级冷凝氨分离耦合吸收剂吸收—解吸氨分离的工艺，来深度分离氨合成气中的氨气，大幅降低了循环气中的残余氨气浓度，从而提高了氨净值，减小了循环机的循环量，降低了整个合成氨工序的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨技术领域，具体涉及一种合成氨分离系统。
背景技术
氨气是生产化肥的主要原料之一，与世界农业的发展密切相关。自1913年Haber-Bosch工艺实现了氨合成的工业化后，世界粮食产量实现了跨越式增长。此外，氨气作为一种基本化工原料也被广泛应用于食品、医药、轻工、军事等行业中，这使得全球氨气需求量一直在不断增长。合成氨工业历经百余年的不懈发展取得了巨大的进步，不仅实现了反应温度、压力的大幅降低，工艺路线也在不断地向高效、节能型转变。
新型催化剂的开发在合成氨工业的发展中起到了举足轻重的作用，高性能的催化剂有助于以最少的原料、能耗使氨产量最大化，以及生产过程副产物的最小化。传统的氨合成工艺广泛使用的是铁基催化剂，但高温、高压的反应条件所带来的路线繁琐、能耗高等问题十分突出。1970年，Aika等人率先开发出了在低温、低压下的活性可以达到传统熔铁型催化剂的10倍以上的钌基催化剂—Ru-K/AC(Journal of Catalysis,1972,27:424–431)。而后，美国Kellogg公司与英国BP公司于1992年联合开发了一种KAAP工艺，使用炭载钌催化剂可使氨合成所需能量降至27.2GJ/t NH3，该工艺在加拿大氨合成厂实现了工业化应用(US4568532)。中国专利CN1544328A、CN106315619则报道了铁基催化剂串钌基催化剂的氨合成工艺，进一步降低了氨合成所需的温度和压力，有力地推动了合成氨工业的进步。
除了催化剂的研究外，如何从合成气中将氨气进行高效分离也是一个重要课题，是涉及到增产节能的一个重要环节。在氨合成过程中，受反应平衡的限制，合成气中氨气浓度一般仅为10～20％。目前，工业上普遍采用冷凝法将氨气从合成气中进行液化分离，剩余的气体作为循环气与新鲜原料气混合后送回合成塔中继续反应。然而物理冷凝的效率较低，循环气中仍会残留有约3％的氨气，这浪费了大量的氨产品、降低了氨净值，增加了循环机循环量。此外，残余的氨气随循环气返回到合成塔中，也会对原料气的平衡转化不利，使得整个合成氨工序的能耗仍然有待降低。
发明内容
本发明旨在解决现有合成氨技术中循环气残余氨气浓度高的问题，从而提供一种基于冷凝氨分离耦合吸收剂吸收—解吸氨分离的合成氨分离工艺系统。
本发明采用如下技术方案：
一种合成氨分离系统，包括原料气供应装置、氨气合成塔、第一换热器、第二换热器、氨冷凝器组和第一气液分离器，所述氨气合成塔的出气口依次与所述第一换热器的热气进口、所述第二换热器的热气进口、所述氨冷凝器组和所述第一气液分离器的进料口连通，所述第一气液分离器的排气口与所述第二换热器的冷气进口连通，所述原料气供应装置依次与所述第一换热器的冷气进口和所述氨气合成塔的进气口连通，所述第一换热器的热气进口与热气出口作为连通的一对，所述第二换热器的热气进口与热气出口作为连通的一对，用于加热介质，所述所述第一换热器的冷气进口与冷气出口作为连通的一对，所述第二换热器的冷气进口与冷气出口作为连通的一对，用于被加热介质；其特征在于，所述系统中还设有串接的吸收塔和解吸塔，所述第二换热器的冷气出口与所述吸收塔的进气口连通，所述解吸塔上方的排气口与所述第一换热器的热气进口连通；所述吸收塔上方的排气口与所述第一换热器冷气进口通过管道连通，所述解吸塔的下端出口与所述吸收塔上部的进口通过管道连通，且在所述吸收塔上还设有与其连通的吸收剂储槽。
所述氨冷凝器组包括依次串接的第一氨冷凝器和第二氨冷凝器，所述第二换热器的热气出口与所述第一氨冷凝器进口连通，所述第二氨冷凝器的出口与所述第一气液分离器进料口连通。
所述吸收塔上设有第一进气口、第一进液口、第一出液口和第一排气口，所述第一进气口位于所述吸收塔的侧壁下方，所述第一进液口位于所述吸收塔的侧壁上方，所述第一出液口位于所述吸收塔的塔底，所述第一排气口位于所述吸收塔的塔顶；所述解吸塔上设有第二进液口、第二出液口和第二排气口，所述第二进液口位于所述解吸塔的侧壁上方，所述第二出液口位于所述解吸塔的侧壁下方，所述第二排气口位于所述解吸塔的塔顶；所述第一进气口与所述第二换热器的冷气出口连通，所述第一进液口与设置在所述吸收塔外侧的吸收剂储槽连通，为所述吸收塔提供吸收剂，所述第一出液口与所述第二进液口连通，所述第一排气口与所述原料气供应装置和所述第一换热器冷气进口之间的管道连通，所述第二出液口与所述第一进液口连通，所述第二排气口与所述第一换热器的热气进口连通。
所述吸收塔的工作温度为10～40℃，工作压力为2～3MPa；所述解吸塔的工作温度为60～100℃，工作压力为0.1～1MPa。
所述第一氨冷凝器的工作温度为-15～-5℃，所述第二氨冷凝器的工作温度为-20～-10℃。
所述吸收塔与所述解吸塔之间还设有第三换热器，所述第三换热器的冷气进口与所述第一出液口连通，所述第三换热器的冷气出口与所述第二进液口连通，所述第三换热器的热气进口与所述第二出液口连通，所述第三换热器的热气出口与所述第一进液口连通。
所述系统还包括第二气液分离器，所述第二气液分离器的进料口与所述第二排气口连通，所述第二气液分离器的出液口与所述第二进液口连通，所述第二气液分离器的排气口与所述第一换热器的热气进口连通，自所述第二排气口排出的含有少量吸收剂的气体进入所述第二气液分离器内进一步分离后，分离出的溶解氨的吸收剂液体自所述第二进液口进入所述解吸塔内进一步解吸，分离后的气体与自所述氨气合成塔出气口排出的合成氨混合气一起依次通过所述第一换热器、第二换热器和氨冷凝器组降温冷凝后进入所述第一气液分离器进行液氨的分离。
在所述第一换热器的冷气出口与所述第二换热器热气进口之间的连接管路上还设有第一水冷器，在所述解吸塔的所述第二排气口与所述第二气液分离器的进料口之间的连接管路上还设有第二水冷器，在所述第三换热器的冷气出口与所述第一进液口之间的连接管路还设有第三水冷器。
在所述原料气供应装置与所述第一换热器之间的连接管路上还设有第一压缩机，所述吸收塔上的所述第一排气口与所述第一压缩机的进口连通，用于对自所述原料气供应装置出来的新鲜原料气和自所述第二气液分离器的排气口排出的气体进行加压。
所述原料气供应装置与所述第一压缩机之间的连接管路上还设有第二压缩机，用于对自所述原料气供应装置出来的新鲜原料气进行加压进入所述第一压缩机。
本发明技术方案，具有如下优点：
A、本发明合成氨分离工艺系统，采用二级冷凝氨分离耦合吸收剂吸收—解吸氨分离的工艺，来深度分离氨合成气中的氨气，大幅降低了循环气中的残余氨气浓度(与单独采用冷凝法进行氨分离相比，循环气中的残余氨气浓度能够减低95％以上)，从而提高了氨净值，减小了循环机的循环量，降低了整个合成氨工序的能耗(与单独采用冷凝法进行氨分离相比，能耗降低20％以上)。
B、本发明合成氨分离工艺系统，将氨分离的各阶段组合成一个分离氨的循环系统，有效地将合成塔出塔气中的氨与其它气体分离，可实现循环气和吸收剂的循环回用以及产品的高效分离，使回入合成塔组的循环气氨含量进一步降低，有效提供氨净值和增加氨产量(在氨合成工艺相同的条件下，与单独采用冷凝法进行氨分离相比，氨净值提高25％以上)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明合成氨分离工艺系统流程图；
图2为本发明中吸收塔接口位置示意图；
图3为本发明中解吸塔接口位置示意图。
图中标识如下：
1-第一换热器；2-第一水冷器；3-第二换热器；4-氨冷凝器组，41-第一氨冷凝器，42-第二氨冷凝器；5-第一气液分离器；6-吸收塔，61-第一进气口，62-第一进液口，63-第一出液口，64-第一排气口；7-第三换热器；8-解吸塔，81-第二进液口，82-第二出液口，83-第二排气口；9-第二水冷器；10-第二气液分离器；20-氨气合成塔；30-吸收剂储槽；40-第一压缩机；50-第二压缩机；60-原料气供应装置；70-第三水冷器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语―中心”、―上”、―下”、―左”、―右”、―竖直”、―水平”、―内”、―外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语―第一”、―第二”、―第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语―安装”、―相连”、―连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种合成氨分离系统，包括氨气合成塔20、第一换热器1、第二换热器3、氨冷凝器组4、第一气液分离器5、吸收塔6和解吸塔8，述氨气合成塔20的出气口与第一换热器1的热气进口连通，第一换热器1的热气出口与第二换热器3的热气进口连通，述第二换热器3的热气出口与氨冷凝器组4、第一气液分离器5进料口依次连通，第一气液分离器5的排气口与第二换热器3的冷气进口连通，第二换热器3的冷气出口依次与吸收塔6和解吸塔8连通，解吸塔8上的排气口与第一换热器1的热气进口连通；第一换热器1的冷气进口与为氨气合成塔20提供新鲜原料气的原料气供应装置60连通，第一换热器1的热气出口与氨气合成塔20进气口连通；吸收塔6的上的排气口与原料气供应装置60和第一换热器1冷气进口之间的管道连通。氨气合成塔20出气口排出的合成氨混合气依次通过第一换热器1、第二换热器3和氨冷凝器组4降温冷凝后进入第一气液分离器5进行液氨的分离，分离出的液氨由第一气液分离器5的出液口排出并收集，分离后的含有氨气的剩余气体A由第一气液分离器5的排气口排出、并经第二换热器3换热升温后进入所述吸收塔6，剩余气体A中的氨气被吸收塔6内的吸收剂吸收后进入解吸塔8解吸，吸收塔6内脱除了氨气后的气体作为循环气B部分驰放后与原料气供应装置60提供的新鲜原料气混合、并经第一换热器1换热升温后进入氨气合成塔20。本发明合成氨分离工艺系统，采用冷凝氨分离耦合吸收剂吸收—解吸氨分离的工艺，来深度分离氨合成气中的氨气，大幅降低了循环气中的残余氨气浓度(与单独采用冷凝法进行氨分离相比，循环气中的残余氨气浓度能够减低95％以上)，从而提高了氨净值，减小了循环机的循环量，降低了整个合成氨工序的能耗(与单独采用冷凝法进行氨分离相比，能耗降低20％以上)。
进一步地，氨冷凝器组4包括依次串接的第一氨冷凝器41和第二氨冷凝器42，第二换热器2的热气出口与第一氨冷凝器41进口连通，第二氨冷凝器42的出口与第一气液分离器5进料口连通，第一氨冷凝器41的工作温度为-15～-5℃，优选-8℃；第二氨冷凝器42的工作温度为-20～-10℃，优选-15℃。
如图2所示，吸收塔6上设有第一进气口61、第一进液口62、第一出液口63和第一排气口64，第一进气口61位于吸收塔6的侧壁下方，第一进液口62位于吸收塔6的侧壁上方，第一出液口63位于吸收塔6的塔底，第一排气口64位于吸收塔6的塔顶；如图3所示，解吸塔8上设有第二进液口81、第二出液口82和第二排气口83，第二进液口81位于解吸塔8的侧壁上方，第二出液口82位于解吸塔8的侧壁下方，第二排气口83位于解吸塔8的塔顶；第一进气口61与第二换热器3的冷气出口连通，第一进液口62与设置在吸收塔6外侧的吸收剂储槽30连通，为吸收塔6提供吸收剂，第一出液口63与第二进液口81连通，第一排气口64与原料气供应装置60和第一换热器1冷气进口之间的管道连通，第二出液口82与第一进液口62连通，第二排气口83与第一换热器1的热气进口连通。本发明中吸收塔6的工作温度为10～40℃，工作压力为2～3MPa，解吸塔8的工作温度为60～100℃，工作压力为0.1～1MPa。加入到吸收塔6用于吸收氨气的吸收剂可选用由质子型离子盐和羟基化合物所构成的混合液体，且质子型离子盐和羟基化合物的摩尔比为1:(1～7)，其中质子型离子盐具体可选自乙胺盐酸盐、二乙胺盐酸盐、三乙胺盐酸盐、咪唑盐酸盐、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺二盐酸盐、N,N,N′,N′-四甲基-1,3-丙二胺二盐酸盐中的一种，羟基化合物具体可选自乙二醇、丙三醇、苯酚、间苯二酚、间苯三酚中的一种。
吸收塔6与解吸塔8之间还设有第三换热器7，第三换热器7的冷气进口与第一出液口63连通，第三换热器7的冷气出口与第二进液口81连通，第三换热器7的热气进口与第二出液口82连通，第三换热器7的热气出口与第一进液口62连通。
所述系统还包括第二气液分离器10，第二气液分离器10的进料口与第二排气口83连通，第二气液分离器10的出液口与第二进液口81连通，第二气液分离器10的排气口与第一换热器1的热气进口连通，自第二排气口83排出的含有少量吸收剂的气体进入第二气液分离器10内进一步分离后，分离出的溶解氨的吸收剂液体自第二进液口81进入解吸塔8内进一步解吸，分离后的气体与自氨气合成塔20出气口排出的合成氨混合气一起依次通过第一换热器1、第二换热器3、第一氨冷凝器41和第二氨冷凝器42降温冷凝后进入第一气液分离器5进行液氨的分离。
在第一换热器1的冷气出口与第二换热器3热气进口之间的连接管路上还设有第一水冷器2，在解吸塔8的第二排气口83与第二气液分离器10的进料口之间的连接管路上还设有第二水冷器9，在第三换热器7的冷气出口与第一进液口62之间的连接管路还设有第三水冷器70。在原料气供应装置60与第一换热器1之间的连接管路上还设有第一压缩机40，吸收塔6上的第一排气口64与第一压缩机40的进口连通，用于对自原料气供应装置60出来的新鲜原料气和自第二气液分离器10的排气口排出的气体进行加压。另外，原料气供应装置60与第一压缩机40之间的连接管路上还设有第二压缩机50，用于对自原料气供应装置60出来的新鲜原料气进行加压进入所述第一压缩机40。
本发明未述及之处适用于现有技术。
本发明合成氨分离工艺系统，将氨分离的各阶段组合成一个分离氨的循环系统，有效地将合成塔出塔气中的氨与其它气体分离，可实现循环气和吸收剂的循环回用以及产品的高效分离，使回入合成塔组的循环气氨含量进一步降低，有效提供氨净值和增加氨产量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种合成氨分离系统，其特征在于，包括原料气供应装置（60）、氨气合成塔（20）、第一换热器（1）、第二换热器（3）、氨冷凝器组（4）和第一气液分离器（5），所述氨气合成塔（20）的出气口依次与所述第一换热器（1）的热气进口、所述第二换热器（3）的热气进口、所述氨冷凝器组（4）和所述第一气液分离器（5）的进料口连通，所述第一气液分离器（5）的排气口与所述第二换热器（3）的冷气进口连通，所述原料气供应装置（60）依次与所述第一换热器（1）的冷气进口和所述氨气合成塔（20）的进气口连通，所述第一换热器（1）的热气进口与热气出口作为连通的一对，所述第二换热器（3）的热气进口与热气出口作为连通的一对，用于加热介质，所述第一换热器（1）的冷气进口与冷气出口作为连通的一对，所述第二换热器（3）的冷气进口与冷气出口作为连通的一对，用于被加热介质；所述系统中还设有串接的吸收塔（6）和解吸塔（8），所述第二换热器（3）的冷气出口与所述吸收塔（6）的进气口连通，所述解吸塔（8）上方的排气口与所述第一换热器（1）的热气进口连通；所述吸收塔（6）上方的排气口与所述第一换热器（1）冷气进口通过管道连通，所述解吸塔（8）的下端出口与所述吸收塔（6）上部的进口通过管道连通，且在所述吸收塔（6）上还设有与其连通的吸收剂储槽（30）；
所述氨冷凝器组（4）包括依次串接的第一氨冷凝器（41）和第二氨冷凝器（42），所述第二换热器（3）的热气出口与所述第一氨冷凝器（41）进口连通，所述第二氨冷凝器（42）的出口与所述第一气液分离器（5）进料口连通；
所述吸收塔（6）上设有第一进气口（61）、第一进液口（62）、第一出液口（63）和第一排气口（64），所述第一进气口（61）位于所述吸收塔（6）的侧壁下方，所述第一进液口（62）位于所述吸收塔（6）的侧壁上方，所述第一出液口（63）位于所述吸收塔（6）的塔底，所述第一排气口（64）位于所述吸收塔（6）的塔顶；所述解吸塔（8）上设有第二进液口（81）、第二出液口（82）和第二排气口（83），所述第二进液口（81）位于所述解吸塔（8）的侧壁上方，所述第二出液口（82）位于所述解吸塔（8）的侧壁下方，所述第二排气口（83）位于所述解吸塔（8）的塔顶；所述第一进气口（61）与所述第二换热器（3）的冷气出口连通，所述第一进液口（62）与设置在所述吸收塔（6）外侧的吸收剂储槽（30）连通，为所述吸收塔（6）提供吸收剂，所述第一出液口（63）与所述第二进液口（81）连通，所述第一排气口（64）与所述原料气供应装置（60）和所述第一换热器（1）冷气进口之间的管道连通，所述第二出液口（82）与所述第一进液口（62）连通，所述第二排气口（83）与所述第一换热器（1）的热气进口连通；
所述系统还包括第二气液分离器（10），所述第二气液分离器（10）的进料口与所述第二排气口（83）连通，所述第二气液分离器（10）的出液口与所述第二进液口（81）连通，所述第二气液分离器（10）的排气口与所述第一换热器（1）的热气进口连通，自所述第二排气口（83）排出的含有少量吸收剂的气体进入所述第二气液分离器（10）内进一步分离后，分离出的溶解氨的吸收剂液体自所述第二进液口（81）进入所述解吸塔（8）内进一步解吸，分离后的气体与自所述氨气合成塔（20）出气口排出的合成氨混合气一起依次通过所述第一换热器（1）、第二换热器（3）和氨冷凝器组（4）降温冷凝后进入所述第一气液分离器（5）进行液氨的分离。
2.根据权利要求1所述的合成氨分离系统，其特征在于，所述吸收塔（6）的工作温度为10~40℃，工作压力为2~3MPa；所述解吸塔（8）的工作温度为60~100℃，工作压力为0.1~1MPa。
3.根据权利要求1所述的合成氨分离系统，其特征在于，所述第一氨冷凝器（41）的工作温度为-15~-5℃，所述第二氨冷凝器（42）的工作温度为-20~-10℃。
4.根据权利要求1所述的合成氨分离系统，其特征在于，所述吸收塔（6）与所述解吸塔（8）之间还设有第三换热器（7），所述第三换热器（7）的冷气进口与所述第一出液口（63）连通，所述第三换热器（7）的冷气出口与所述第二进液口（81）连通，所述第三换热器（7）的热气进口与所述第二出液口（82）连通，所述第三换热器（7）的热气出口与所述第一进液口（62）连通。
5.根据权利要求4所述的合成氨分离系统，其特征在于，在所述第一换热器（1）的冷气出口与所述第二换热器（3）热气进口之间的连接管路上还设有第一水冷器（2），在所述解吸塔（8）的所述第二排气口（83）与所述第二气液分离器（10）的进料口之间的连接管路上还设有第二水冷器（9），在所述第三换热器（7）的冷气出口与所述第一进液口（62）之间的连接管路还设有第三水冷器（70）。
6.根据权利要求5所述的合成氨分离系统，其特征在于，在所述原料气供应装置（60）与所述第一换热器（1）之间的连接管路上还设有第一压缩机（40），所述吸收塔（6）上的所述第一排气口（64）与所述第一压缩机（40）的进口连通，用于对自所述原料气供应装置（60）出来的新鲜原料气和自所述第二气液分离器（10）的排气口排出的气体进行加压。
7.根据权利要求6所述的合成氨分离系统，其特征在于，所述原料气供应装置（60）与所述第一压缩机（40）之间的连接管路上还设有第二压缩机（50），用于对自所述原料气供应装置（60）出来的新鲜原料气进行加压进入所述第一压缩机（40）。
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