CN115461306A - 用于高效生产氨的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于生产氨的系统和方法。该系统包括：反应器，该反应器适于通过反应器的第一输入端在其中接收硫酸铵和通过反应器的第二输入端在其中接收反应剂，其中反应器被加热到不超过预定温度的温度，以在硫酸铵和反应剂之间发生化学反应；和净化器，该净化器适于从反应器接收氨并进行净化过程以将氨净化到预定的纯度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月16日提交的申请号为62/990,036的美国临时专利申请的权益，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及生产氨(NH3)的制造技术，更具体地，涉及从硫酸铵中回收氨的制造技术。
背景技术
硫酸铵是肥料工业中的重要化学品。含有硫酸铵的液体作为各种生产过程的副产物获得，通常用于生产肥料。在某些地理区域，化学过程中产生的硫酸铵副产物可以作为肥料出售。在其他地区，硫酸铵肥料的使用受到限制，多余的硫酸铵必须处理掉。
在各种工业中形成大量的硫酸铵。一个例子是涉及用硫酸处理有机物的氨氧化产物的化学工业(例如通过丙酮氰醇法生产ε-己内酰胺、甲基丙烯酸甲酯，以及通过乙烯氰醇法生产丙烯腈)。另一种工业是排放来自用硫酸处理原油形成的脱硫废液的氨中和的液体。还有一种是通过使用氨水进行废气脱硫的工业。这种硫酸铵主要用作肥料。硫酸铵通常供过于求。
在相关领域中，有两种实现上述目标的方法。一种方法是将酸离子连接到更强的碱上，例如氧化铁，从而形成稳定的盐，使得氨被去除。根据相关领域中讨论的另一种方法，将铵离子转化成稳定的盐，例如通过与磷酸结合，从而释放出三氧化硫。这些方法中的每一种都需要第二步，其中必须回收结合的离子，例如通过热分解。来自通过热分解获得三氧化硫的金属硫酸盐的中间生产具有明显的技术困难，并且面临NH3和SO3的分离操作不能适当地保持分开的缺点。换句话说，在技术上可行的反应条件下不能获得纯产物。
约90％的硫酸铵通过三种不同的方法生产：(1)作为己内酰胺[(CH2)5COHN]生产的副产物；(2)来自合成制造；以及(3)作为炼焦炉副产物。其余的是镍或甲基丙烯酸甲酯生产的副产物，或者是硫酸厂尾气的氨洗涤产生的副产物。硫酸铵作为副产物从己内酰胺氧化工艺流和重排反应流中产生。炼焦炉副产物硫酸铵是由从炼焦炉废气中回收的氨与硫酸反应产生的。
此外，需要大量的氨来中和残留在废液中的硫酸，这又是一个重大负担。此外，由于硫酸铵含有杂质，需要大量的工作将其纯化到适合使用的水平。因此，在存在硫酸铵的工业中，以经济可行的形式回收硫酸铵是一个重要的问题。
因此，提供克服上述缺陷的解决方案将是有利的。
发明内容
本公开的几个示例性实施方案的概述如下。该概述是为了方便读者对这些实施方案的基本理解而提供的，并不完全限定本公开的范围。该概述不是所有预期实施方案的广泛综述，并且既不旨在标识所有实施方案的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个实施方案的一些概念，作为后文所示的具体实施方式的序言。为了方便起见，术语“一些实施方案”在本文中可用于指代本公开的单个实施方案或多个实施方案。
公开的实施方案包括生产氨的系统。该系统包括：反应器，其适于通过反应器的第一入口在其中接收硫酸铵和通过反应器的第二入口在其中接收反应剂，其中反应器被加热到不超过预定温度的温度，以在硫酸铵和反应剂之间发生化学反应；和净化器，其适于从反应器接收氨并进行净化过程以将氨净化到预定的纯度。
公开的实施方案还包括生产氨的方法。该方法包括向反应器提供硫酸铵和反应剂；将反应器加热至预定温度，以在硫酸铵和反应剂之间发生化学反应；将反应器中产生的氨提供至氨净化器；和将氨净化到预定的纯度水平。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。从下面结合附图的详细描述中，本发明的前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见。
图1为根据一个实施方案的氨生产系统的示意图。
图2为根据一个实施方案用于氨的有效生产的图1系统的操作流程的流程图。
具体实施方式
值得注意的是，本文公开的实施方案仅为本文创新教导的许多有利用途的示例。一般来说，本申请说明书中的陈述不一定限制任何不同的权利要求。此外，一些陈述可能适用于一些创造性特征，但不适用于其他特征。一般而言，除非另有说明，否则在不失一般性的情况下，单数元素可以是复数，反之亦然。
根据一个示例性实施方案，一种制造方法使得有效生产氨(NH3)和副产物(例如Na2SO4、HCl、CaSO4、ZnSO4、Al2SO4、K2SO4等)。通过在相对温和的操作条件下分解硫酸铵，以良好的纯度生产了这些化合物。硫酸铵在不超过250℃的温度下与金属氧化物或氢氧化物反应，形成NH3和金属硫酸盐。这种制造方法的一个优点是，它可以根据需要安全、连续地进行氨生产，还可以移动制造单元。
本文所用术语硫酸铵是指起始材料，不仅指硫酸铵本身，还指酸性硫酸铵、含硫酸的酸性硫酸铵及其任何混合物。在一个实施方案中，这些起始材料可以包含浓度最高达10重量％的杂质。该杂质包括，例如但不限于，不可燃碳、灰分、ε-己内酰胺、丙酮二磺酸、对甲苯磺酸、这些物质的聚合物以及下列物质中含有的硫：ε-己内酰胺废液、丙酮-氰醇法的甲基丙烯酸甲酯废液、乙烯-氰醇法的丙烯腈废液和原油精炼废液。
根据本发明，可进行多种不同的反应。这些包括但不限于普通技术人员可以理解的下列化学反应：
(NH4)2SO4+2NaOH→Na2SO4+2NH3+2H2O
在示例性情况(a)中，在反应器中存在混合的硫酸铵和氢氧化钠，例如在水的存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：硫酸钠、氨和水。另一种反应可以是：
(NH4)2SO4+2KOH→K2SO4+2NH3+2H2O
在另一个示例性情况(b)中，在反应器中存在混合的硫酸铵和氢氧化钾，例如在水的存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：硫酸钾、氨和水。另一种反应可以是：
2(NH4)2SO4+2KOH+2NaOH→2Na2SO4+2K2SO4+4NH3+2H2O
在另一个示例性情况(c)中，在反应器中存在混合的硫酸铵、氢氧化钾和氢氧化钠，例如在水的存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：硫酸钠、硫酸钾、氨和水。另一种反应可以是：
(NH4)2SO4+2NaCl→Na2SO4+2NH3+2HCl
在另一个示例性情况(d)中，在反应器中存在混合的硫酸铵和氯化钠(通常称为盐)，例如在水的存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：硫酸钾、氨和氯化氢，当溶解在水中时，氯化氢也称为盐酸。另一种反应可以是：
(NH4)2SO4+Ca(OH)2→CaSO4+2NH3+2H2O
在另一个示例性情况(e)中，在反应器中存在混合的硫酸铵和氢氧化钙，例如在水的存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：硫酸钙、氨和水。另一种反应可以是：
(NH4)2SO4+2Na(Al(OH)4)→2Al(OH)3+Na2SO4+2NH3+4H2O
在另一个示例性情况(f)中，在反应器中存在混合的硫酸铵和(偏)铝酸钠，例如在水存在下。混合物被加热到不超过250℃，优选70℃至100℃。由于化学相互作用，生成的化合物为：氢氧化铝、硫酸钠、氨和水。
图1描绘了根据一个实施方案的用于高效生产氨的系统100的示意图。该系统包括反应器110。在入口115处，反应器适于接收硫酸铵，在入口113处，它接收如本文所述的金属氧化物或氢氧化物物质。
在一个实施方案中，反应器中还含有一定量的水(H2O)。将反应器加热至不超过250℃的温度，优选70℃至100℃。结果，发生化学相互作用，导致如本文所述的化学反应，其包括出口117，以设置氨净化室130。反应器110的另一个出口119设置副产物收集室120，通过本文描述的方法产生的副产物可以从该副产物收集室收集并通过出口123提供。在一个实施方案中，副产物收集室120可用于在存在还原剂的情况下分解金属硫酸盐，以形成金属氧化物和SO2。
氨净化室130适用于对通过本文所述工艺提取的氨进行净化。氨净化室130可以通过出口133或通过出口135向混合室提供气态氨，在混合室中氨与水混合以在混合室140的出口145上提供液态氨。与现有技术的解决方案相比，本领域的普通技术人员将容易意识到所描述的系统的优点。首先，反应器110使用的温度不超过250℃，优选为70℃至100℃，这降低了成本并且本质上更安全。
第二，用于生产氨的输入物质是安全的，直到氨的生产本身不会造成固有的安全威胁。第三，系统100是简单的系统，其可以有效地就地生产少量的氨，从而能够在现场生产氨，而不是通过使用大规模的制造结构来生产氨，大规模的制造结构虽然有效(但并不比本文所述的工艺更有效)，但需要储存和运输相对大量的氨，从而造成安全隐患。
图2描述了根据一个实施方案的用于高效生产氨的系统100的操作流程的示例性流程图200。在S210，硫酸铵例如在反应器110中与金属氧化物或氢氧化物反应。通常，但不作为限制，使用的金属氧化物或氢氧化物选自Ca、Na、K、Al、Fe、Zn、Cu等元素，并且是优选的，因为它产生本文所述的期望效果并且是可行的。在一个实施方案中，反应在诸如水(H2O)的介质中进行。
在S220，例如在反应器110中，将溶液加热至不超过250℃的温度，更优选为70℃至100℃。在S230，进行氨与副产物的分离，例如通过出口119从反应器110中清除副产物，并通过出口107从反应器110中清除氨。在S240中，由反应提供的氨在例如氨净化室130中被净化，从氨净化室130中提供气态形式或液态形式的氨，即氨和水。
在一个实施方案中，系统100适用于小型生产规模装置。这允许实施模块化紧凑工厂，用于生产氨和次级产品(secondaryproduct)。此外，这也可以以移动版本进行生产。由于本文讨论的回收方法，这些小单元产生经济上有利可图的解决方案，与现有的现有技术解决方案相比，这些解决方案在氨的运输和储存中是安全的。
如本文所用，短语“至少一个(种)”，后接项目列表，表示可单独使用任何所列项目，或可使用两个(种)或多个(种)所列项目的任何组合。例如，如果系统被描述为包括“A、B和C中的至少一个(种)”，则该系统可以仅包括A；仅包括B；仅包括C；A和B的组合；B和C的组合；A和C的组合；或者A、B和C的组合。
本文引用的所有示例和条件语言都是为了教学的目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为促进本领域所贡献的概念，并且被解释为不限于这些具体引用的示例和条件。此外，本文中叙述本发明的原理、方面和实施方案的所有陈述以及其具体示例旨在涵盖其结构和功能等同物。此外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，开发的执行相同功能的任何元素，而不管结构如何。
Claims (20)
1.一种用于生产氨的系统，包括：
反应器，所述反应器适于通过反应器的第一输入端在其中接收硫酸铵和通过反应器的第二输入端接收反应剂，其中反应器被加热至不超过预定温度的温度，以在硫酸铵和反应剂之间发生化学反应；和
净化器，所述净化器适于接收来自反应器的氨并进行净化过程以将氨净化到预定的纯度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应剂为金属氧化物和氢氧化物中的任一种。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述金属氧化物为NaCl。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述氢氧化物为NaOH、KOH、Ca(OH)2和Na(Al(OH)4)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定温度为250℃。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度为70℃至100℃。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应器中还含有水(H2O)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述化学反应为以下中的任一种：
(NH4)2SO4+2NaOH→Na2SO4+2NH3+2H2O；
(NH4)2SO4+2KOH→K2SO4+2NH3+2H2O；
2(NH4)2SO4+2KOH+2NaOH→2Na2SO4+2K2SO4+4NH3+2H2O；
(NH4)2SO4+2NaCl→Na2SO4+2NH3+2HCl；
(NH4)2SO4+Ca(OH)2→CaSO4+2NH3+2H2O；和
(NH4)2SO4+2Na(Al(OH)4)→2Al(OH)3+Na2SO4+2NH3+4H2O。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统为可移动的制造单元。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还适于提供气态氨和液态氨中的至少一种。
11.一种生产氨的方法，包括：
向反应器提供硫酸铵和反应剂；
将所述反应器加热至预定温度，以在硫酸铵和反应剂之间发生化学反应；
将所述反应器中产生的氨提供至氨净化器；和
将氨净化到预定的纯度水平。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述反应剂为金属氧化物和氢氧化物中的任一种。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属氧化物为NaCl。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述氢氧化物为NaOH、KOH、Ca(OH)2和Na(Al(OH)4)中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定温度为250℃。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述温度为70℃至100℃。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：向反应器中加入水(H2O)。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述化学反应为以下中的任一种：
(NH4)2SO4+2NaOH→Na2SO4+2NH3+2H2O；
(NH4)2SO4+2KOH→K2SO4+2NH3+2H2O；
2(NH4)2SO4+2KOH+2NaOH→2Na2SO4+2K2SO4+4NH3+2H2O；
(NH4)2SO4+2NaCl→Na2SO4+2NH3+2HCl；
(NH4)2SO4+Ca(OH)2→CaSO4+2NH3+2H2O；和
(NH4)2SO4+2Na(Al(OH)4)→2Al(OH)3+Na2SO4+2NH3+4H2O。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：提供气态氨。
20.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：提供液态氨。
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