DE102011016759A1 - Preparing ammonia comprises conducting alkane dehydrogenation to produce hydrogen-rich stream, purifying the stream, optionally mixing purified nitrogen with hydrogen-rich stream, compressing the stream, preparing ammonia and liquefying - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein integriertes Verfahren zur Herstellung von NH3, wobei Nebenprodukte die bei einer Alkandehydrierung generiert werden, wie H2 und N2, bei der NH3-Herstellung verwendet werden. Dieses Verfahren dient der Wirtschaftlichkeitssteigerung eines Dehydrierungsverfahrens.The invention relates to an integrated process for the preparation of NH 3 , wherein by-products which are generated in an alkane dehydrogenation, such as H 2 and N 2 , are used in the production of NH 3 . This method is used to increase the efficiency of a dehydrogenation process.
Die Dehydrierung von Alkanen nach der folgenden Formel
Beispielsweise beim Propandehydrierungsverfahren (PDH) wird Propylen aus Propan über den folgenden Reaktionsweg hergestellt:
Dabei wird Propan unter Abgabe eines Aquivalents Wasserstoff zu Propylen dehydriert und es fällt weiterhin als ein Nebenprodukt Wasserstoff an, der eine Konzentration von > 70% H2 enthält. Aus dem Stand der Technik ist bekannt dieses Nebenprodukt für die Befeuerung des Steamreformers zu nutzen, der bei der Propandehydrierung eingesetzt wird.In this case, propane is dehydrogenated with the release of one equivalent of hydrogen to give propylene and it is still obtained as a by-product of hydrogen, which contains a concentration of> 70% H 2 . From the prior art it is known to use this by-product for the firing of the steam reformer used in propane dehydrogenation.
Für andere industrielle Zwecke dient Wasserstoff als Ausgangsprodukt und muss aus Ressourcen wie Erdgas in einem aufwändigen Verfahren hergestellt werden. Dabei werden kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoffe mit Wasserdampf nach dem in der Literatur bekannten Dampfreformierungsverfahren oder durch partielle Oxidation zu Wasserstoffhaltigem Synthesegas entsprechend der Reaktionsgleichungen (3) oder (4) umgesetzt.
In einem letzten Schritt wird dann das Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid aufoxidiert.In a final step, the carbon monoxide is then oxidized to carbon dioxide.
Das so gewonnene Synthesegas kann anschließend als Substrat für die Methanol-, die Ammoniak-, die Oxo- und der Fischer-Tropsch-Synthese verwendet werden.The synthesis gas thus obtained can then be used as a substrate for the methanol, ammonia, oxo and Fischer-Tropsch synthesis.
Zur Ammoniakherstellung wird das Synthesegas von CO2 in einer Gaswäsche aufgereinigt, mit N2 aus einer Luftzerlegungsanlage angereichert auf einen Synthesedruck komprimiert und in einem oder mehreren Reaktoren nach Reaktionsgleichung (4) zu NH3 umgesetzt.
Dies wird meist nach dem Haber-Bosch-Verfahren durchgeführt, bei dem das Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff an einem Eisenoxid-Mischkatalysator zu Ammoniak umgesetzt wird.This is usually carried out by the Haber-Bosch process, in which the gas mixture of hydrogen and nitrogen is reacted on an iron oxide mixed catalyst to form ammonia.
Meist schließt sich ein Kreislaufsynthesesystem nach dem herkömmlichen Stand der Technik an, wobei der erzeugte Ammoniak als flüssiger Ammoniak abgezogen wird. Dieses Kreislaufsystem ist notwendig, da es sich bei der Ammoniakherstellung, um eine Gleichgewichtsreaktion handelt und der Ammoniak aufgrund der unvollständigen Gasphasenreaktion vom übrigen Gas, welches aus Inerten sowie nicht umgesetztem Synthesegas besteht, getrennt werden muss. Diese Abtrennung erfolgt durch Auskondensieren. Das zurückbleibende Gas wird als Kreislaufgas nach dem Reaktor zur NH3-Generierung wieder in das Verfahren eingeschleust, womit sich der Kreislauf schließt.In most cases, a circuit synthesis system according to the conventional state of the art follows, wherein the generated ammonia is withdrawn as liquid ammonia. This circulatory system is necessary because ammonia production is an equilibrium reaction and ammonia must be separated from the remainder of the gas, which consists of inert and unreacted synthesis gas due to the incomplete gas phase reaction. This separation is carried out by condensation. The remaining gas is introduced as recycle gas after the reactor for NH 3 generation back into the process, which closes the circuit.
Bei dieser Technik ist nachteilig, dass es zu einer Anreichung von Inerten im Kreislaufgas kommt, die über den Wasserstoff, der durch Dampfreformierung oder partielle Oxidation von Kohlenwasserstoff-haltigen Ausgangsstoffen generiert worden ist, eingeschleppt werden. Aus diesem Grund muss ein Teilstrom des Kreislaufgases ausgeschleust werden, um eine negative Beeinflussung der Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff in Ammoniak zu vermeiden.In this technique, it is disadvantageous that there is an enrichment of inert gases in the recycle gas, which are introduced via the hydrogen, which has been generated by steam reforming or partial oxidation of hydrocarbon-containing starting materials. For this reason, a partial flow of the recycle gas must be discharged in order to avoid a negative influence on the conversion of hydrogen and nitrogen into ammonia.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein integriertes Verfahren zur NH3-Herstellung zur Verfügung zu stellen, das wirtschaftlicher arbeitet, als die im Stand der Technik bekannten Methoden und bei dem die Ausschleusung des Kreislaufgases bei der Ammoniaksynthese minimiert bzw. ganz darauf verzichtet werden kann.It is an object of the present invention to provide an integrated process for the production of NH 3 which is more economical than the methods known in the prior art and in which the discharge of the recycle gas in the ammonia synthesis can be minimized or completely dispensed with.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von NH3, umfassend die folgenden Schritte,
- (a) Durchführung einer Alkandehydrierung, bei der Alkane durch Abgabe von H2 zu Alkenen katalytisch dehydriert werden, wobei ein H2-reicher Strom generiert wird,
- (b) Reinigung des H2-reichen Stroms aus Schritt (a), wodurch ein gereinigter H2-reicher Strom generiert wird,
- (c) gegebenenfalls Zumischung von N2 zu dem gereinigten H2-reichen Strom aus Schritt (b),
- (d) Komprimierung des Stroms aus Schritt (c) auf einen Synthesedruck, wodurch ein NH3-Synthesegas generiert wird,
- (e) Herstellung von NH3 in einem oder mehreren Reaktoren, wobei ein NH3-reiches Gas generiert wird,
- (f) Verflüssigung des NH3-reichen Gases aus Schritt (e).
- (a) performing an alkane dehydrogenation in which alkanes are catalytically dehydrogenated by the release of H 2 to alkenes, generating a H 2 -rich stream,
- (b) purifying the H 2 -rich stream from step (a), thereby generating a purified H 2 -rich stream,
- (c) optionally admixing N 2 to the purified H 2 -rich stream from step (b),
- (d) compressing the stream of step (c) to a synthesis pressure, thereby generating an NH 3 synthesis gas,
- (e) producing NH 3 in one or more reactors, generating an NH 3 -rich gas,
- (f) liquefying the NH 3 -rich gas from step (e).
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Alkandehydrierung aus Schritt (a) zwei- oder mehrsträngig in einer Parallelschaltung durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass ein Anlagenstrang regeneriert werden kann, während ein weiterer zur Alkandehydrierung genutzt wird, und somit die Produktivität der Anlage stets aufrecht erhalten wird.In a preferred embodiment of the invention, the alkane dehydrogenation from step (a) is carried out in two or more strands in a parallel connection. This has the advantage that one plant strand can be regenerated, while another is used for alkane dehydrogenation, and thus the productivity of the plant is always maintained.
Bei der Alkandehydrierung nach Schritt (a) wird nach dem Stand der Technik ein Reformer eingesetzt, der aus vielen Rohren besteht, die mit einem Katalysatormaterial gefüllt sind. Gewöhnlich besteht der Katalysator aus kleinen Pellets, deren aktive Oberfläche durch die Imprägnierung mit Pt bewerkstelligt wird. Ein Alkan-Gas/Dampf-Gemisch wird als Eingangsstrom bei ca. 550°C durch den Reformer, welcher die Katalysatorpellets enthält, geleitet. Im Reformer findet eine endothermische Dehydrierungsreaktion statt, wodurch die Temperatur im Reaktor stark absinkt und folglich die Reaktion gebremst wird. Um die Reaktion nah am Gleichgewicht führen zu können, muss daher ausreichende Wärme vom außen in die Reformerrohre eingeleitet werden. Der Reformer wird so betrieben, dass das Prozessgas im Austritt des Reformers gerade das Gleichgewicht erreicht hat. Im anderen Fall werden die Nebenprodukte begünstigt. So werden in einem Reformer etwa 30% der im Eingangsstrom enthaltenen Alkane umgesetzt.In the alkane dehydrogenation of step (a), the prior art employs a reformer consisting of many tubes filled with a catalyst material. Usually, the catalyst consists of small pellets whose active surface is accomplished by impregnation with Pt. An alkane gas / steam mixture is passed as an input stream at about 550 ° C through the reformer containing the catalyst pellets. In the reformer, an endothermic dehydrogenation reaction takes place, whereby the temperature in the reactor drops sharply and consequently the reaction is slowed down. In order to be able to lead the reaction close to equilibrium, therefore, sufficient heat must be introduced from the outside into the reformer tubes. The reformer is operated so that the process gas has just reached equilibrium in the exit of the reformer. In the other case, the by-products are favored. Thus, in a reformer about 30% of the alkanes contained in the input stream are converted.
Die Gleichgewichtsreaktion ist in Gleichung (5) dargestellt:
Um die Reaktion weiter voranzutreiben, werden einige dieser Reformer in Reihe hintereinandergeschaltet betrieben, wobei diese Reihenschaltung in mehreren parallelen Strängen realisiert werden kann.To further advance the reaction, some of these reformers are operated in series in series, which series can be implemented in multiple parallel strands.
Bevorzugt wird die Alkandehydrierung aus Schritt (a) in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt, umfassend einen Reformer, in welchem ein Alkan-Gas/Dampf-Gemisch eingeleitet wird, das wie oben beschrieben, über einen Katalysator geleitet wird und das Produktgas aus dem Reformer zusammen mit O2 in einen Oxyreaktor geführt wird, in welchem es über einen Katalysator geleitet wird, wobei ein H2-reicher Strom und Alkene generiert werden.Preferably, the alkane dehydrogenation of step (a) is carried out in a two-stage process comprising a reformer in which an alkane gas / steam mixture is introduced, which is passed over a catalyst as described above and the product gas from the reformer together with O 2 is passed into an oxyreactor where it is passed over a catalyst to generate an H 2 -rich stream and alkenes.
Der Oxyreaktor besteht aus einem Behälter, der üblicherweise den gleichen Katalysator wie der Reformer enthält. Das Produktgas aus dem Reformer wird in den Oxyreaktor eingeleitet. Vor Eintritt in den Katalysator wird dem Gas eine definierte Menge O2 beigemischt. Das O2 reagiert mit dem H2 des Produktgases aus dem Reformer. Zwischen O2 und H2 läuft eine exothermische Reaktion unter Bildung von Wasser ab, siehe Gleichung (6).
Reaktion (6) läuft so lange ab, wie der zugeführte O2 im Gasgemisch vorhanden ist. Dies ist meist schon im oberen Bereich des Oxyreaktors abgeschlossen und liefert dem Gas die notwendige Wärme für die gleichzeitig ablaufende endothermische katalytische Dehydrierungsreaktion im Oxyreaktor nach Reaktion (7),
Mit Vorteil wird dem Produktgas aus dem Reformer soviel O2 beigemischt, dass die Temperatur im Oxyreaktor zwischen 500°C und 650°C, bevorzugt bei 600°C liegt. Dabei stammt der benötigte O2 aus einer Luftzerlegungsanlage, bei der N2 als Nebenprodukt anfällt.Advantageously, the product gas from the reformer is admixed with so much O 2 that the temperature in the oxyreactor is between 500 ° C. and 650 ° C., preferably 600 ° C. The required O 2 originates from an air separation plant in which N 2 is obtained as a by-product.
Durch den Einsatz einer Kombination aus Reformer und Oxyreaktor kann somit eine optimale Ausbeute an Alkenen erzielt werden. Auch hier ist es möglich die Reihenschaltung aus Reformer und Oxyreaktor zwei- oder mehrsträngig in einer Parallelschaltung vorzusehen.By using a combination of reformer and oxyreactor, an optimum yield of alkenes can thus be achieved. Here, too, it is possible to provide the series connection of reformer and oxyreactor in two or more phases in a parallel connection.
Vorzugsweise enthält der Katalysator aus Schritt (a) einen porösen Träger und mindestens ein aktives Oberflächenelement, wobei der Träger Elemente der Hauptgruppen oder Nebengruppen II bis IV des Periodensystems umfasst, und ein oder mehrere aktive Oberflächenelemente aus der Hauptgruppe IV des Periodensystems ist. Vorteilhaft umfasst der Katalysator einen Zinkaluminat- oder Calciumaluminat-Träger mit Platin- und/oder Zinn-Imprägnierung.Preferably, the catalyst of step (a) comprises a porous support and at least one active surface element, wherein the support comprises elements of the main groups or subgroups II to IV of the Periodic Table, and one or more active surface elements is from main group IV of the Periodic Table. Advantageously, the catalyst comprises a zinc aluminate or calcium aluminate carrier with platinum and / or tin impregnation.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung sind die Katalysatoren des Reformers und des Oxyreaktors aus dem gleichen Material.In a preferred embodiment of the invention, the catalysts of the reformer and the oxyreactor are of the same material.
Vorzugsweise wird in Schritt (a) ein H2-reicher Strom generiert, der eine H2-Konzentration von > 70% H2 aufweist, bevorzugt von > 86% H2 aufweist. Je höher die mittels Alkandehydrierung erzielte Reinheit des Nebenproduktstrom H2 ist, desto geringer kann ein Ausschleusstrom bei der Verflüssigung von NH3-reichen Gasen in Schritt (f) ausgelegt werden. Schritt (f) wird nach dem Stand der Technik meist in einer Kreislaufschaltung durchgeführt. Ausschleusströme sind notwendig, um die Konzentration an Inerten im Kreislauf möglichst gering zu halten. Unter Standardbedingungen wird bei der Alkandehydrierung allerdings derart reines H2 generiert, dass auf eine Ausschleusung des Kreislaufgases komplett verzichtet werden kann. Wird eine minimale Ausschleusung dennoch nötig, so ist vorgesehen diesen Strom als Purgestrom als Brennstoff zur Alkandehydrierung in Schritt (a) zurückzuführen.Preferably, in step (a) an H 2 -rich stream is generated which has an H 2 concentration of> 70% H 2 , preferably of> 86% H 2 . The higher the alkane dehydrogenation achieved purity of the by-product stream H 2 , the lower a discharge flow in the liquefaction of NH 3 -rich gases in step (f) can be designed. Step (f) is usually carried out in a circuit according to the prior art. Outlet streams are necessary to keep the concentration of inert in the circulation as low as possible. Under standard conditions, however, pure H 2 is generated in the alkane dehydrogenation in such a way that discharge of the recycle gas can be completely dispensed with. If a minimum discharge is nevertheless necessary, then this stream is provided as purge gas as fuel for the alkane dehydrogenation in step (a).
Der in Schritt (a) generierte H2-reiche Nebenproduktstrom wird nachfolgend einer Reinigung unterzogen. Es gibt im Wesentlichen zwei Optionen zur Reinigung dieses H2-reichen Stroms, die im Folgenden kurz umschrieben werden.The H 2 -rich by-product stream generated in step (a) is subsequently subjected to purification. There are essentially two options for purifying this H 2 -rich current, which are briefly described below.
Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, den H2-reichen Strom aus Schritt (a) mittels Druckwechsel-Adsorption aufzureinigen. Das Druckwechsel-Adsorptions-Verfahren ist ein weit verbreitetes Reinigungsverfahren. Dabei kann eine H2-Ausbeute von 86 bis 90% erzielt werden. Das anfallende PSA-Abgas kann weiter als Brenngas im Reformerofen verbrannt werden.A variant of the process according to the invention provides for purifying the H 2 -rich stream from step (a) by means of pressure swing adsorption. The pressure swing adsorption process is a widely used purification process. In this case, an H 2 yield of 86 to 90% can be achieved. The resulting PSA exhaust gas can be further burned as fuel gas in the reformer furnace.
In einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reinigung des H2-reichen Stroms aus Schritt (a) mittels flüssiger N2-Wäsche durchgeführt. Die flüssige N2-Wäsche nutzt die Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen in flüssigem Stickstoff. Wird ein geeignetes Design vorgesehen, so wird das Synthesegasverhältnis in diesem Schritt bereits auf ein H2:N2-Verhältnis von 3:1 eingestellt.In an alternative embodiment of the process according to the invention, the purification of the H 2 -rich stream from step (a) is carried out by means of liquid N 2 scrubbing. Liquid N 2 scrubbing utilizes the solubility of hydrocarbons in liquid nitrogen. If a suitable design is provided, the synthesis gas ratio in this step is already set to a H 2 : N 2 ratio of 3: 1.
Ist letzteres nicht der Fall oder wird eine Druckwechsel-Adsorption vorgesehen, so wird in Schritt (c) N2 zu dem gereinigten H2-reichen Strom aus Schritt (b) zugemischt. Dies geschieht in einem Maße, dass sich das oben erwähnte H2:N2-Verhältnis von 3:1 einstellt. D. h. eine Zumischung von N2 in Schritt (c) erfolgt nur dann, wenn die N2-Konzentration durch die vorherigen Schritte, wie z. B. die Reinigung in Schritt (b), nicht schon ausreichend N2 vorhanden ist.If the latter is not the case or if a pressure swing adsorption is provided, then in step (c) N 2 is added to the purified H 2 -rich stream from step (b). This happens to an extent that sets the above-mentioned H 2 : N 2 ratio of 3: 1. Ie. an admixture of N 2 in step (c) takes place only if the N 2 concentration by the previous steps, such. B. the purification in step (b), not enough N 2 is already present.
In weiterer Ausgestaltung werden die bei der Reinigung durch Druckwechsel-Adsorption oder flüssiger N2-Wäsche anfallenden Abgase in die Alkandehydrierung zurückgeführt.In a further embodiment, the waste gases resulting from the purification by pressure swing adsorption or liquid N 2 scrubbing are returned to the alkane dehydrogenation.
Nach erfolgter Reinigung durch eine oder beide dieser Reinigungsstufen liegt der generierte H2-reiche Strom in einer Reinheit von > 99,9 vol% vor. Somit liegt ein H2-reicher Strom vor, der fast vollständig frei von Inerten ist.After purification by one or both of these purification stages, the generated H 2 -rich stream is present in a purity of> 99.9 vol%. Thus, there is a H 2 -rich current that is almost completely free of inert.
In vorteilhafter Ausführung der Erfindung wird das N2 zur Zumischung zu dem gereinigten H2-reichen Strom aus Schritt (b) in einer Luftzerlegungsanlage generiert. Bevorzugt gilt dies auch für das O2, das in den Oxyreaktor geführt wird. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird das N2 zur Zumischung zu dem gereinigten H2-reichen Strom aus Schritt (b) und das O2, das in den Oxyreaktor geführt wird, in derselben Luftzerlegungsanlage generiert. Dadurch ist nur eine Luftzerlegungsanlage nötig, die zum Einen bei der Alkandehydrierung für die Sauerstoffversorgung und zum anderen bei der NH3-Synthese für die Stickstoffversorgung sorgt. Dies gestaltet das Verfahren sehr wirtschaftlich, da bei dieser Ausführungsform sämtliche anfallenden Nebenproduktströme, also H2, N2 und O2 im Verfahren weiterverwendet werden.In an advantageous embodiment of the invention, the N 2 is generated for addition to the purified H 2 -rich stream from step (b) in an air separation plant. This also preferably applies to the O 2 which is fed into the oxyreactor. In a particularly advantageous embodiment, the N 2 for mixing to the purified H 2 -rich stream from step (b) and the O 2 , which is guided into the oxy reactor, generated in the same air separation plant. As a result, only one air separation plant is necessary, which provides for the supply of oxygen in the alkane dehydrogenation and for the supply of nitrogen in the NH 3 synthesis. This makes the process very economical, since in this embodiment all incidental by-product streams, ie H 2 , N 2 and O 2 , are further used in the process.
Im weiteren Verfahrensablauf wird anschließend in Schritt (d) der Strom aus Schritt (c) komprimiert, wodurch ein NH3-Synthesegas generiert wird. Vorteilhaft wird in Schritt (d) ein NH3-Synthesegas eines Synthesedrucks von bis zu 400 bar mittels Kolbenkompressoren generiert. Die Auswahl des Kompressors hängt im Wesentlichen von der Synthesekapazität ab. Wenn bei kleineren Kapazitäten keine Getriebsturbo-Maschinen verfügbar sind, müssen Kolbenkompressoren zum Einsatz kommen. Dann kann der Synthesedruck bis auf 400 bar festgelegt werden. Damit kann vorteilhafterweise die Kälteenergie für die NH3-Verflüssigung in Schritt (f) gespart werden.In the further process sequence, the stream from step (c) is then compressed in step (d), whereby an NH 3 synthesis gas is generated. Advantageously, in step (d) an NH 3 synthesis gas of a synthesis pressure of up to 400 bar is generated by means of piston compressors. The choice of the compressor depends essentially on the synthesis capacity. If smaller turbo-boost engines are not available, reciprocating compressors must be used. Then the synthesis pressure can be set up to 400 bar. Thus, advantageously, the cooling energy for the NH 3 liquefaction can be saved in step (f).
In einem alternativen Ansatz wird in Schritt (d) ein NH3-Synthesegas eines Synthesedrucks von 180 bis 200 bar mittels Getriebsturbo-Maschinen generiert. Diese Ausgestaltung wird vorzugsweise bei größeren Kapazitäten eingesetzt werden. Der hier eingesetzte Kompressortyp ist robust und zuverlässig, so dass auf Standby-Maschinen verzichtet werden kann.In an alternative approach, in step (d) an NH 3 synthesis gas of a synthesis pressure of 180 to 200 bar is generated by means of gear turbo machines. This embodiment is preferably used for larger capacities. The type of compressor used here is robust and reliable, so that can be dispensed with standby machines.
In vorteilhafter Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das in Schritt (d) generierte NH3-Synthesegas in einem Gasdruckspeicher zwischengespeichert. Das so zwischengespeicherte NH3-Synthesegas wird aus dem Gasdruckspeicher entnommen, sobald einer der zwei- oder mehrfach in einer Parallelschaltung vorgesehenen Alkandehydrierungsstränge regeneriert wird. Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist es die NH3-Synthese bei relativ konstanter Last mit frischem Synthesegas zu versorgen.In an advantageous embodiment of the present invention, the NH 3 synthesis gas generated in step (d) is temporarily stored in a gas pressure accumulator. The thus buffered NH 3 synthesis gas is removed from the gas pressure accumulator as soon as one of the two or more times provided in a parallel connection Alkandehydrierungsstränge is regenerated. Advantage of such an embodiment is to supply the NH 3 synthesis at relatively constant load with fresh synthesis gas.
In Verfahrensschritt (e) wird daran anschließend ein NH3-reiches Gas in einem oder in mehreren Reaktoren generiert. Dabei ist vorteilhafterweise eine Wärmerückgewinnung über die Dampferzeugung vorgesehen. Diese Gewinnung von NH3-reichem Gas wird nach dem Stand der Technik durchgeführt. Beispiele für entsprechende Ausführungsformen liefern die Schriften
Bei der Ammoniakherstellung kommen üblicherweise Kreislaufprozesse zum Einsatz. Darin muss das entstandene Ammoniak nach der aus Gründen des chemischen Gleichgewichts immer unvollständigen Gasphasenreaktion vom übrigen Gas, welches aus Inerten sowie nicht umgesetztem Synthesegas besteht, getrennt werden, beispielsweise durch kontinuierliches Auskondensieren. Dieses Auskondensieren wird durch hohen Synthesedruck, hohe Ammoniakkonzentration und niedrige Temperatur begünstigt. Damit wird Schritt (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens umschrieben, das die Verflüssigung des NH3-reichen Gases aus Schritt (e) umfasst.In ammonia production usually cycle processes are used. In this case, the resulting ammonia must be separated from the remaining gas, which consists of inert and unreacted synthesis gas, after the gas phase reaction, which is always incomplete for reasons of chemical equilibrium, for example by continuous condensation. This condensation is favored by high synthesis pressure, high ammonia concentration and low temperature. Thus, step (f) of the method according to the invention is described, which comprises the liquefaction of the NH 3 -rich gas from step (e).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ausschleusung des Kreislaufgases auf ein Minimum reduziert, bzw. es kann auf eine Ausschleusung komplett verzichtet werden. Grund dafür ist, dass das H2-reiche Gas aus der Alkandehydrierung nach der Reinigung in Schritt (b) in einer derart reinen Form generiert werden kann, dass mit einer Inertenanreicherung im NH3-Synthesekreislauf nicht zu rechnen ist.In the method according to the invention a discharge of the cycle gas is reduced to a minimum, or it can be completely dispensed with a discharge. The reason for this is that the H 2 -rich gas from the alkane dehydrogenation after the purification in step (b) can be generated in such a pure form that inert enrichment in the NH 3 synthesis loop is not to be expected.
Optional wird das flüssige NH3 aus Schritt (f) in einem Tanklager zwischengelagert. Dieses Tanklager ist vorteilhaft mit Verladeeinrichtungen ausgestattet, um den Transport zu weiteren Anlagen, die die Weiterverarbeitung des generierten NH3 sicherstellen, zu gewährleisten.Optionally, the liquid NH 3 from step (f) is stored in a tank farm. This tank farm is advantageously equipped with loading facilities to ensure transport to other facilities that ensure the further processing of the generated NH 3 .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird das flüssige NH3 aus Schritt (f) einer Harnstoffsynthese zugeführt. Harnstoff wird in großen Mengen industriell hergestellt und dient beispielsweise als Stickstoffdünger. D. h. hier würde zunächst eine Wasserstoffherstellung durch Alkandehydrierung mit anschließender Ammoniakherstellung und sich daran anschließende Harnstoffherstellung durchgeführt. Dabei reagieren Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zu Ammoniumcarbamat in einer exothermen Reaktion nach Gleichung (8). Ammoniumcarbamat reagiert anschließend in der endothermen Reaktion zu Harnstoff und Wasser nach Gleichung (9).
Im Reaktor wird lediglich ein Teil der Reaktionskomponenten in Harnstoff umgesetzt. Dieser wird in einer Lösung erhalten, die außer dem Carbamat freien Ammoniak und Wasser enthält. Aus diesem Grund ist eine Reinigung der Harnstofflösung notwendig.In the reactor, only a portion of the reaction components is converted into urea. This is obtained in a solution containing, besides the carbamate, free ammonia and water. For this reason, it is necessary to purify the urea solution.
Dies erfolgt meist durch eine CO2-Strippung, um nicht abreagierten Ammoniak zu entfernen. Daran schließen sich meist Rezirkulations- und Evaporationsschritte an, gefolgt von einer Desorption und Hydrolyse.This is usually done by a CO 2 -Strippung to remove unreacted ammonia. This is usually followed by recirculation and evaporation steps, followed by desorption and hydrolysis.
Der derart gewonnene Harnstoff wird dann erfindungsgemäß in einer Prillierung oder Granulierung aufgearbeitet. Ausgestaltungen derartiger Anlagenteile sind beispielsweise in
Erfindungsgemäß wird ein CO2-Strom, der aus der Alkandehydrierung aus Schritt (a) abgezweigt wird in die Harnstoffsynthese und/oder in die Prillierung oder Granulierung integriert. Diese Integrierung kann dabei in jedem belieben Prozessschritt vorgesehen werden, der CO2 erforderlich macht. Auch dieser Schritt trägt wieder dazu bei ein integriertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem sämtliche Produktnebenströme vorteilhaft weiterverwendet werden.According to the invention, a CO 2 stream which is branched off from the alkane dehydrogenation from step (a) is integrated into the urea synthesis and / or into the prilling or granulation. This integration can be provided in any arbitrary process step, which requires CO 2 . Again, this step helps to provide an integrated process in which all product bypasses are advantageously reused.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand
In
Als Nebenprodukt entsteht ein H2-reicher Strom
Die Ammoniak-Herstellung erfolgt mittels eines Kreislaufsynthesesystems. Dabei wird nacheinander NH3-Synthesegas
Der somit gewonnene flüssige Ammoniak
Somit werden in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft sämtliche Nebenproduktströme in einem integrierten Verfahrenszyklus weiterverwendet, wodurch die Wirtschaftlichkeit der einzelnen Verfahren steigt. Diese Nebenproduktströme sind zum Einen das in der Einheit
Die gesteigerte Wirtschaftlichkeit dieses integrierten Produktionszyklusses soll in einem Ausführungsbeispiel nachfolgend detailliert aufgezeigt werden.The increased cost-effectiveness of this integrated production cycle is to be shown in detail in an embodiment below.
Ausgehend von einer Produktionskapazität von 450 000 t/Jahr Propylen in einer Anlage zur Alkandehydrierung, die sich aus Reformer und Oxyreformer zusammensetzt, werden ca. 1384 kmol/h H2 freigesetzt. Der Bedarf an O2 im Oxyreaktor liegt somit bei ca. 161 kmol/h. Dieses O2 wird in einer Luftzerlegungsanlage produziert. Dabei wird als Nebenproduktstrom N2 in einer Menge von 600 kmol/h freigesetzt. Wird der Wasserstoff in seiner gesamten generierten Menge weiter zu Ammoniak verarbeitet, so liegt der stöchiometrische Bedarf an N2 nach Gleichung (4) bei 461 kmol/h. Die theoretische NH3-Produktion würde damit um 922 kmol/h oder 376 tato betragen. Wie aus dieser Betrachtung hervorgeht, reicht der anfallende N2 aus der Luftzerlegungsanlage, die für die Alkandehydrierung zum Einsatz kommt, bei Weitem aus, um den Bedarf an N2 in der nachfolgenden Ammoniakherstellung zu gewährleisten. Bei der Herstellung von beispielsweise Propylen liegen die beiden Stoffe H2 und N2 in großen Mengen vor und können mit minimalem Aufwand für die Herstellung von Ammoniak genutzt werden. Schätzungsweise kann hierdurch zusätzlich zum Propylen ein Umsatz mit Ammoniak in Höhe von 50 bis 60 Mio $/Jahr erzielt werden.Based on a production capacity of 450,000 t / a of propylene in an alkane dehydrogenation plant consisting of reformer and oxy-reformer, about 1,384 kmol / h of H 2 are released. The demand for O 2 in the oxyreactor is thus about 161 kmol / h. This O 2 is produced in an air separation plant. In this case, N 2 is released as by-product stream in an amount of 600 kmol / h. If the hydrogen is further processed into ammonia in its total amount generated, then the stoichiometric demand for N 2 according to equation (4) is 461 kmol / h. The theoretical NH 3 production would thus be 922 kmol / h or 376 t / d. As can be seen from this observation, the resulting N 2 from the air separation plant, which is used for the alkane dehydrogenation, far from sufficient to ensure the need for N 2 in the subsequent production of ammonia. In the production of, for example, propylene, the two substances H 2 and N 2 are present in large quantities and can be used with minimal effort for the production of ammonia. It is estimated that in addition to propylene sales of ammonia in the amount of $ 50 to 60 million / year can be achieved.
Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben:
- – anfallende Nebenproduktströme aus der Alkandehydrierung werden vorteilhaft weiterverarbeitet ökonomisch und ökologisch vorteilhaftes Verfahren
- – die Reinheit des H2 aus der Alkandehydrierung ist so hoch, dass eine Ausschleusung des Kreislaufgases bei der NH3-Synthese minimiert werden kann und evtl. ganz darauf verzichtet werden kann
- – bei kleinen Kapazitäten kann durch Erzielung eines hohen Synthesedruckes bei der NH3-Generierung Kälteenergie für die NH3-Verflüssigung im Kreislaufsynthesesystem eingespart werden
- - Obtaining by-product streams from the alkane dehydrogenation are advantageously further processed economically and ecologically advantageous method
- - The purity of the H 2 from the alkane dehydrogenation is so high that a discharge of the recycle gas in the NH 3 synthesis can be minimized and possibly can be completely dispensed with
- - At low capacities can be saved by achieving a high synthesis pressure in the NH 3 generation cooling energy for the NH 3 liquefaction in the circulation synthesis system
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Einheitunit
- 22
- Propanpropane
- 33
- WasserdampfSteam
- 44
- Propylenpropylene
- 55
- LuftzerlegungsanlageAir separation plant
- 66
- Luftair
- 77
- Sauerstoffoxygen
- 88th
- Stickstoffnitrogen
- 99
- H2-reicher StromH 2 -rich current
- 1010
- Einheitunit
- 1111
- Abgaseexhaust
- 1212
- Gemischmixture
- 1313
- Kolbenkompressorenreciprocating compressors
- 1414
- NH3-SynthesegasNH 3 synthesis gas
- 1515
- Einheitunit
- 1616
- flüssiges Ammoniakliquid ammonia
- 1717
- KreislaufverdichterCycle compressor
- 1818
- KreislaufgasRecycle gas
- 1919
- Tanklagertank farm
- 2020
- zwischengelagerter flüssiger Ammoniakintermediate liquid ammonia
- 2121
- Einheitunit
- 2222
- Stickstoffdüngernitrogen fertilizer
- 2323
- CO2-StromCO 2 stream
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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