CS258327B1

CS258327B1 - Method of excessive nitrogen separation and equipment for realization of this method

Info

Publication number: CS258327B1
Application number: CS864931A
Authority: CS
Inventors: Ludek Vins; Jan Mikulec
Original assignee: Ludek Vins; Jan Mikulec
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1988-08-16
Also published as: CS493186A1

Abstract

Řešení se týká způsobu separace přebytečného dusíku kondenzací a praním plynu kondenzátem, vzniklým z výchozího.plynu obsahujícího přebytek dusíku, za účelem získání syntézní směsi, přičemž kondenzát -odpadní plyn se odpařuje za nízkého tlaku. Podstata způsobu spočívá v tom, že odpadní plyn ss odpařuje v protiproudu s ochlazovaným výchozím plynem proudícím vzhůru, přičemž vzniklý kondenzát proudí směrem dolů proti stoupajícímu výchozímu plynu, a dále že se odpadní plyn přehřívá v protiproudu a ochlazovaným výchozím plynem proudícího shora dolů, potom po polytropická expanzi se odpadní plyn.opět .ohřívá v protiproudu s ochlazovaným výonozím plynem a syntézní směs se také v protiproudu ohřívá nejdříve výchozím plynem proudícím vzhůru a potom výchozím plynem proudícím dolů. Zařízení k provedení způsobu sestává ze čtyřmédiového výměníku tepla, třímédiového výměníku tepla, přívodního potrubí, spojovacího potrubí, .škrticího ventilu, expanzní turbiny, prací kolony, výstupního potrubí, potrubí pro vstup výchozího plynu a spojovacího potrubí.The present invention relates to a method for separating excess nitrogen by condensation and gas scrubbing condensate resulting from the starting gas containing excess nitrogen for the purpose of obtaining a synthesis mixture, wherein the condensate the waste gas is evaporated under low pressure. The essence of the method is that it is waste gas ss evaporate in countercurrent with cooled starting gas flowing upwards wherein the condensate formed flows in the direction down against rising rising gas and further that the waste gas is overheated in countercurrent and a cooled starting gas flowing top to bottom, then polytropic the expansion gas is heated in countercurrent with cooled exhaust gas a the synthesis mixture is also heated in countercurrent first by the upward gas and then downstream starting gas. The apparatus for performing the method comprises: a four-tube, three-tube heat exchanger heat exchanger, supply pipe, connecting piping, .circuit valve, expansion turbines, washing columns, outlet pipes, a feed gas inlet pipe a connecting pipes.

Description

Vynález se týká způsobu separace přebytečného dusíku a zařízeni k prováděni tohoto způsobu při výrobě syntézní směsi pro výrobu amoniaku z plynové směsi obsahující přebytek dusíku. Tato plynová směs může vzniknout například parciální oxidaci vzduchem většího množství zbylého metanu, než je zapotřebí pro výrobu stechiometr.lckého poměru vodíku a dusíku, po konverzí oxidu uhelnatého a po odstraněni oxidu uhličitého praním plynu kapalným absorbentem.The invention relates to a process for separating excess nitrogen and to an apparatus for carrying out the process in the manufacture of a synthesis mixture for the production of ammonia from a gas mixture containing an excess of nitrogen. This gas mixture can be formed, for example, by partial oxidation with air of a larger amount of residual methane than is required to produce a stoichiometric hydrogen to nitrogen ratio, after conversion of carbon monoxide and after removal of carbon dioxide by scrubbing the gas with a liquid absorbent.

U známých způsobů separace přebytečného dusíku se postupuje tak, že. po ochlazeni a případné částečné kondenzaci se l .In known methods for separating excess nitrogen, proceed as follows:. after cooling and possible partial condensation, l.

výchozí plyn vede do kolony, jejíž kondenzátor je chlazen odpařováním odpadního plynu, tj. kapaliny ze spodku kolony za nízkého tlaku. Výchozí plyn se ochlazuje syntézní směsi z hlavy kolony a odpadním plynem. Pokud je dostatečně veliký tlak výchozího plynu, postačí jeho škrticí efekt ke kryti ztrát chladu zařízeni. Pro zajištěni potřebné výroby chladu v případě nižšího tlaku výchozího plynu, expanduje výchozí plyn pólytropicky v expanzní turbině, která je zařazena mezi dva výměníky tepla určené pro jeho ochlazování. Místo výchozího plynu bylo by možné expandovat polytroplcky syntézní směs. Expanzi výchozího plynu, resp. syntézní směsi se však zvyšuje spotřeba energie na výrobu čpavku. Při tomto známém uspořádání se odpadni plyn zcela odpařuje při teplotě odpovídající nejnižší teplotě v zařízeni, tj· o potřebný teplotní spád nižší než je rosný bod syntézní směsi.the feed gas is fed to a column whose condenser is cooled by evaporating off-gas, i.e. the liquid from the bottom of the column at low pressure. The feed gas is cooled by the synthesis mixture from the top of the column and the off-gas. If the pressure of the starting gas is high enough, its throttling effect is sufficient to cover the cold losses of the device. In order to ensure the necessary production of cold in the case of a lower pressure of the starting gas, the starting gas expands polythyropically in an expansion turbine, which is placed between two heat exchangers intended for its cooling. Instead of the starting gas, it would be possible to expand the polythropic synthesis mixture. Expansion of the starting gas, respectively. however, the energy consumption of ammonia production is increased. In this known arrangement, the waste gas is completely vaporized at a temperature corresponding to the lowest temperature in the apparatus, i.e. by the required temperature gradient lower than the dew point of the synthesis mixture.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob a zařízeni podle vynálezu. Podstata způsobu separace přebytečného dusíku kondenzaci a praní plynu kondenzátem vzniklým z výchozího plynu za účelem získáni syntézní směsi, přičemž kondenzát - odpadníThese disadvantages are overcome by the method and apparatus of the invention. Principle of a method for separating excess nitrogen by condensation and scrubbing the gas with condensate formed from the starting gas to obtain a synthesis mixture wherein the condensate - waste

- 2 plyn se odpařuje za nízkého tlaku, spočívá v tom, že se odpadni plyn odpařuje v protiproudu s ochlazovaným výchozím plynem proudícím vzhůru, přičemž vzniklý kondenzát proudí dolů proti stoupajícímu výchozímu plynu, a tím dochází k výměně tepla a hmoty mezi kondenzátem a stoupajícím výchozím plynem, tj. k praní plynu, a dále že se odpadni plyn přehřívá v protiproudu s ochlazovaným výchozím plynem proudícím shora dolů, načež po polytroplcké expanzi se odpadni plyn opět ohřívá v protiproudu s ochlazovaným výchozím plynem-<a syntézní směs se rovněž v protiproudu ohřívá nejdříve výchozím plynem proudícím vzhůru a dále výchozím plynem proudícím dolů.- 2 the gas evaporates at low pressure by evaporating the waste gas in countercurrent with the cooled starting gas flowing upward, the condensate formed downstream of the rising starting gas, thereby exchanging heat and mass between the condensate and the rising starting gas gas, i.e., gas scrubber, and further that the waste gas is superheated in countercurrent with cooled starting gas flowing from top to bottom, whereupon after polythropic expansion, the waste gas is reheated in countercurrent with cooled starting gas- and the synthesis mixture is also heated in countercurrent first upstream gas and downstream gas.

Zařízeni k prováděni tohoto způsobu sestává z výměníků tepla, expanzní turbiny a spojovacího potrubí a armatury. Podstata zařízení spočívá v tom, že spodní část mezi trubkového prostoru třlmediového výměníku tepla je spojena přívodním potrubím o mírném sklonu ve směru prouděni s mezi trubkovým prostorem čtyřmediového výměníku tepla, a horní část mezi trubkového prostoru třlmediového výměníku tepla je spojena potrubím s jedním trubkovým prostorem téhož výměníku tepla, přičemž druhý trubkový prostor třlmediového výměníku tepla je spojen potrubím s mezi trubkovým prostorem téhož výměníku tepla pod vstupem přívodního potrubí a opatřeným škrticím ventilem, a dále že jeden trubkový prostor čtyřmedlového výměníku tepla je.v teplejší části spojen potrubím se vstupem.do expanzní turbiny, a druhý trubkový prostor je ve studenější části spojen potrubím s výstupem expanzní turbiny.The apparatus for carrying out this method consists of heat exchangers, an expansion turbine and a connecting pipe and a fitting. The bottom part of the three-way heat exchanger tubular space is connected by a downwardly inclined inlet duct to the four-way heat exchanger tubing space, and the upper part between the three-way heat exchanger tubing space is connected by one pipe space of the same the second tube of the three-way heat exchanger is connected by piping to between the tubing space of the same heat exchanger below the inlet pipe inlet and provided with a throttle valve, and that one tubular space of the four-bar heat exchanger is connected to the inlet in the warmer part. turbine, and the second tubular space is in the colder part connected by piping to the outlet of the expansion turbine.

Zařízeni tohoto provedeni podle vynálezu může být doplněno práci kolonou umístěnou pod třimediovým výměníkem tepla, která je propojena s jeho mezí trubkovým prostorem, přičemž pří vodní potrubí z mezi trubkového prostoru čtyřmediového výměníku tepla je spojeno se spodkem kolony a druhý trubkový prostor třlmediového výměníku tepla je spojen potrubím opat-* řeným Škrticím ventilem s kapalinovým prostorem spodku kolony.The apparatus of this embodiment according to the invention may be supplemented by a column operation below a three-way heat exchanger, which is connected to its boundary through a tubular space, the inlet pipe from between the tubular space of the four-medium heat exchanger being connected to the bottom of the column. piping provided with a throttle valve with liquid space at the bottom of the column.

Uskutečněni způsobu a provedeni zařízení je zřejmé z následujícího přikladu s přiloženými výkresy, na nichž je schematicky znázorněno příkladné provedeni podle vynálezu.An embodiment of the method and embodiment of the device is apparent from the following example with the accompanying drawings, in which an exemplary embodiment according to the invention is schematically illustrated.

2*583272 * 58327

- 3 Na obr.1 je znázorněno zařízeni sestávající z třlmedlového výměníku 2 tepla, čtyřmediového výměníku 2 tepla, třlmediového výměníku 2 tepla a expanzní turbiny 4. Zařízeni je vybaveno mimo jiné tímto propojovacím potrubím: potrubím 5 pro vstup výchozího plynu, přívodním potrubím d>, potrubím 2 syntéznl směsi, potrubím 8 odpadního plynu se škrticím ventilem 9, potrubím 10 odpadního plynu před expanzní turbinou £, potrubím 11 odpadního plynu za expanzní turbinou 4 a výstupním potrubím12 syntéznl směsi a výstupním potrubím 13 odpadního plynu.Fig. 1 shows a device consisting of a three-way heat exchanger 2, a four-way heat exchanger 2, a three-way heat exchanger 2 and an expansion turbine 4. The device is equipped, inter alia, with the following interconnecting piping: starting gas inlet 5; Synthetic mixture line 2, exhaust gas line 8 with throttle valve 9, exhaust gas line 10 before expansion turbine 4, exhaust gas line 11 after expansion turbine 4, and synthesis gas outlet line 12 and exhaust gas outlet line 13.

Na obr.2 je znázorněno stejné zařízeni o stejném označeni doplněné promývaci kolonou 14 umístěnou pod třimediovým výměníkem 3 tepla a propojeným s promývaci kolonou 14 potrubím 15 a 16.FIG. 2 shows the same device of the same designation, supplemented by a washing column 14 located below the three-stage heat exchanger 3 and connected to the washing column 14 via lines 15 and 16.

Příklad.¹ ₀ Example. ¹ ₀

Výchozí plyn o tlaku 4,35 MPa a teplotě 35 C se ochladl v třimediovém výměníku 2 tepla a ve čtyřmediovém výměníku 2 tepla na teplotu 110 K, přičemž vykondenzuje asi polovina kondenzátu. Takto vzniklá dvoufázová směs se odvádí přivbdnim potrubím ť> do spodní části mezi trubkového prostoru třimediového výměníku 2 tepla. Zbylý plyn se potom ochlazuje dále na teplotu 100,5 IC v mezitrubkovém prostoru výměníku £ teplá, přičemž vznikající kondenzát stéká v protiproudu dolů. Mezi ochlazovaným plynem proudícím vzhůru a stékajícím kondenzá• tem dochází k výměně hmoty a tepla. Nezkondenzovaný plyn, tj. syntéznl plyn vystupující potrubím 2 ^se ohřívá v jednom z trubkových prostorů výměníků 2' — ^a -L ^a vystupuje potrublm 12 ze zařízeni. Kondenzát z výměníků 2 a 2 tepla, tj. odpadni plyn, se po seškrceni ventllem 9 na tlak 0,36 MPa odvádí potrubím 8. do jednoho z trubkových prostorů výměníků 2 a £ tepla, kde se odpaří a přehřeje na teplotu 133 K, načež se zavádí potrubím 1,0 do expanzní turbiny 4, kde expanduje na tlak 0,13 MPa. Expandovaný odpadni plyn vystupuje potrubím 11 a ohřívá se v jednom z trubkových prostorů ve výměnicích 2 ^a 2' ^a Potrubím 13 vystupuje ze zařízeni.The starting gas at a pressure of 4.35 MPa and a temperature of 35 C was cooled to 110 K in a 3-way heat exchanger 2 and 4-way heat exchanger 2, condensing about half of the condensate. The biphasic mixture thus formed is discharged via a conduit 16 into the lower part between the tubular space of the three-stage heat exchanger 2. The remaining gas is then cooled further to a temperature of 100.5 ° C in the inter-tube space of the heat exchanger 6, with the resulting condensate flowing downstream. Mass and heat exchange occurs between the cooled gas flowing upwards and the condensate flowing off. The non-condensed gas, i.e. the synthesis gas exiting through the conduit 2, ^is heated in one of the tubular spaces of the exchangers 2 '- ^and -L ^and exits through a bubble 12 from the apparatus. The condensate from the heat exchangers 2 and 2, i.e. the waste gas, after being throttled through the valve 9 to a pressure of 0.36 MPa, is discharged via a line 8 to one of the tubular spaces of the heat exchangers 2 and 6, is fed via line 1.0 to expansion turbine 4 where it expands to a pressure of 0.13 MPa. The expanded exhaust gas exits through the conduit 11 and is heated in one of the tubular spaces in the exchangers 2 ^and 2 ' ^{and through the} conduit 13 exits the apparatus.

Pro dosaženi spolehlivého promyti plynu kondenzátem je vhodné zabudovat pod třlmedlový výměník 2 promývaci kolonu 14‘ ,258327To achieve reliable gas washing with condensate, it is advisable to install a 14 prom scrubbing column under the stirrup exchanger 2, 258327

- 4 s několika patry spojenou s mezi trubkovým prostorem výměníku- 4 with several floors connected to between the exchanger tubular space

3. teplá potrubím, například pro plyn - potrubí 15 a samostatně pro kapalinu - potrubí 16.3. warm piping, for example for gas - piping 15 and separately for liquid - piping 16.

Materiálová bilance popsaného zařízeni je následující :The material balance of the described equipment is as follows:

výchozí plyn syntéznl směs odpadni plynstarting gas synthesis gas off-gas mixture

Složen! Folded! Imol 5í| Imol 5i | Imol %l Imol% l Imol %i Imol% i »2 »2 65,678 65,678 73,1 73.1 8,05 8.05 ^N2 ^N 2 27,049 27,049 24,7 24.7 43,12 43.12 Ar Ar 0,344 0.344 0,27 0.27 0,85 0.85 ch₄ ch ₄ 6,929 6,929 0,93 0.93 47,98 47.98 Množství Amount ]kmol/hl kmol / hl 8 000 8 000 6 980 6 980 1 020 1 020 Teplota Temperature l°c 1 1 ° c 1 35 35 32 32 32 32 Tlak Pressure iMPal iMPal 4,35 4.35 4,1 4.1 0,11 0.11 Výhoda řešeni Advantage of solution podle vynálezu according to the invention spočívá proti rests against současnému present

stavu v tom, že nespotřebovává prakticky žádnou energii. Potřebný chlad získává expanzi odpadního plynu v expanzní turbině. Dostatečný tlak odpadního plynu před expanzní turbinou zajištuje protlproudá kondenzace výchozího plynu v mezltrybkovém prostoru výměníku 3 tepla a postupné, odpařováni odpadního plynu v protiproudu s výchozím plynem v tomtéž výměníku tepla.state that it consumes virtually no energy. The necessary cold is obtained by the exhaust gas expansion in the expansion turbine. Sufficient exhaust gas pressure upstream of the expansion turbine ensures countercurrent condensation of the feed gas in the inter-tube space of the heat exchanger 3 and a gradual evaporation of the waste gas in countercurrent with the feed gas in the same heat exchanger.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A process for separating excess nitrogen by condensation and scrubbing the gas with condensate formed from a feed gas containing excess nitrogen to obtain a synthesis mixture, wherein the condensate-off-gas is vaporized at low pressure, characterized in that the off-gas evaporates in countercurrent with cooled starting gas flowing upwards, the resulting condensate flowing downward against the rising gas output, thereby exchanging heat and mass between the condensate and the rising starting gas, i.e. scrubbing the gas, and further heating the waste gas in countercurrent with the cooled starting gas After the polythropic expansion, the waste gas is reheated in countercurrent with the cooled starting gas, and the synthesis mixture is also heated in countercurrent with the starting gas flowing upwards and then with the starting gas flowing downwards.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising heat exchangers, expansion turbines, connecting pipes and fittings, characterized in that the lower part between the tubular space of the heat exchanger (3) is connected at a slight inclination of the water pipe (6). downstream of the four-way heat exchanger space (2) and the upper part of the three-way heat exchanger space (3) is connected by piping (7) to one pipe space of the same heat exchanger, the other three-way heat exchanger space (3) is connected a pipeline with a cross-pipe space of the same heat exchanger below the inlet pipe inlet (6) and equipped with a throttle valve, and that one pipe space of the four-medium heat exchanger (2) is connected in the warmer part the tubular space is connected by a pipe in the cold part 31 (11) with expansion turbine outlet (4).

Device according to claim 2, characterized in that a washing column (14) is arranged below the three-mill heat exchanger (3), which is connected to its inter-tube space by a line (15), (16), the inter-tube inlet line (6). The four-way heat exchanger space is connected to the bottom of the column (6), and the second tubular space of the three-way heat exchanger (3) is connected via a pipe (8) provided with a throttle valve (9) to the bottom of the column (14).