KR880000148B1 - 암모니아의 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

암모니아의 제조방법 및 장치

암모니아제조를 위한 본 발명의 전체적인 총괄시스템을 설명하는 공정계통도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 수소발생시스템 4 : 다층압력진동흡착시스템

6 : 암모니아합성유닛 11, 21, 29 및 36 : 열교환기

13 : 연소실 18 : 터어빈

19 : 발전기 25 : 가스터어빈

26 : 공기압축기 37 : 하부칼럼

39 : 압축기 41 : 상부칼럼

본 발명은 암모니아의 제조에관한것으로 더상세하게는 암모니아 합성기체형성장치 및 개선된 제조방법에 관한 것이다.

현재의 표준암모니아 생산기술은 공기를 2차개질시켜 수행되는 천연가스 또는 나프타의 스팀개질에 기초를 둔 공정이다. 그러나 최근 몇년사이에 발생한 굉장한 에너지 경비의 증가측면에서 특히 에너지 절감사이클을 개발하기위한 노력이 있어왔다. 그런 개발의 대부분은 암모니아 합성기류에 사용되는 수소의 정제를 위한 압력진동흡착(pressure swing adsorption, 이하 "PSA"라 표기함)기술을 사용하지않고 있다.

PSA-수소 정제에대한 다른 공정으로 이산화탄소 제거를 위한 세척시스템과 일산화탄소 제거를 위한 메탄화조작 또는 질소 세척법이 제시되었으나, 어느공정도 단일정제단계에서 정제되는 수소-함유기체로부터의 모든 오염물과 불활성물질을 완전히 제거하지 못하고 있다. PSA-수소 정제공정에의해 제공된 공정단순화는 이 분야에 알려진 다른 공정과 비교하여 바람직한 특징을 나타내고 있다. 특히, 이점은 모든 화학공업에있어 암모니아생산이 가장 많은 수소를 소비하므로 상업적의의가 크다. 덧붙여 암모니아에 대한 시장성이 커지고 있으므로 종래의 암모니아공장은 시대에 뒤떨어진 것이고 많은 수의 신규공장이 암모니아 수요를 만족키위해 건조되고 있으며 더우기 에너지에 대한 계속적인 경비증가를 상쇄하기위한 경제적시스템을 구상중이다.

암모니아생산을 위해 현재 바람직한 원료는 천연가스이다. 천연가스가 비싸거나, 구입하기어려운 경우에 나프타가 다음으로 가장 바람직한 원료이나, 중유분획 및 석탄을 이용하는 상업용 공장에도 이러한 나프타를 사용하는 경향이 높아져가기때문에 급격한 가격증가를 나타내고 있다. 이들 원료는 일반적으로 계류공기분리시스템으로부터 산소공급과 더불어 부분적인 산화를 위해 산소를 필요로한다. 그와같은 시스템으로부터 회수한 질소는 물론 전체적인 암모니아합성조작에 사용할 수 있다.

벨기에 특허제 855, 126호에의해 입증된 바와같이 암모니아 생산을 위해 사용하는 수소의 정제에 정화가스(purge gas)로서 외부급원의 질소를 사용하는 것은 이미 제안되어왔다. 통상적인 PSA공정에서와같이 외부급원의 질소정화는 정화가스유속 및 압축력의 필요성을 최소화하기위해 가능한한 낮은압력, 즉 약 1.6내지 2절 대기압에서 유입되는 데 이용된다. 이것은 암모니아 합성가스의 생산경비절감을 위한 경제적인 기술 개발의 필요성과 일치한다.

그러나 암모니아제조분야에있어 더 많은 개선점이 이 분야에 바람직하다는 것이 증명될것이다. 고가의 에너지의 측면에서, 특히 에너지경비를 경감시킬 수 있는 그런 개선점이 더욱 요구되며, 아울러 암모니아 합성기체 및 암모니아가 더욱 증가하는 산업적 수요에 만족하도록 저렴한 가격으로 이용될수있도록 더욱 필요하다.

따라서 본 발명의 목적은 암모니아 생산을 위한 개선된 방법과 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 암모니아합성기체의 생산과 관련된 에너지경비의 절감을 위한 방법 및 장치를 제공하기위한것이다.

본 발명의 또다른 목적은 암모니아의 생산에 사용하기위한 개선된 PSA 수소정제시스템을 제공하기위한것이다.

상기목적 및 그밖의 목적을 달성하기위해, 하기에서 본 발명을 상세히 설명하였고, 특히 보호받고자하는 신규구성부분은 특허청구범위에 나타내었다.

증가된 압력하에서 질소는 시스템으로부터 회수되는 원하는 암모니아합성기체를 얻을수 있도록 증가된 압력으로 PSA-수소시스템을 정화하는데 효과적으로 사용된다. 덧붙여 상승시킨 정화압력은 정화가스를 동력발생을 위해 사용할수 있게하고 가장 바람직하게는 정화가스를 수소발생, PSA-수소정제, 암모니아 합성과 공기분리를 포함하는 전체적인 총괄시스템에 사용할수 있게한다. 발생한 동력은 상기의 증가된 압력 정화류에 사용되는 회수한 질소 및 상기 수소발생에 사용되는 회수한 산소와더불어 상기 공기분리를 위해 사용할수 있다.

본 발명은 암모니아생산을 위한 전체적인 총괄시스템을 설명하는 실시구체형의 개략적인 표시로 구성되는 첨부하는 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하였다.

발명의 실시에있어 PSA-수소정제시스템은 증가된 압력에서 정화가스로 사용되는 질소와함께 사용된다. 그것의 더 높은 흡착압력에서 시스템으로부터 회수한 정제수소가놀랍고도 의미있게 암모니아합성기체흐름으로 사용하기위한 충분한 질소를 함유함이 밝혀졌다. 덧붙여 정화가스(purge gas)는 상기의 증가된 압력에서 유용하며, 동력 발생을 위해 유리하게 이용된다. 본 발명의 바람직한 전체적인 총괄시스템에있어서, 공기분리 시스템으로 통과하는 공기는 압축기로 압축시킨다. 압축기를 작동시키는 동력은 더낮은 압력으로 상기 정화기를 팽창시켜 얻어낸다. 공기분리 시스템으로부터 회수한 질소는 유리하게 상기의 정화가스로 사용되는 반면, 여기서 회수된 산소는 PSA-수소정제 시스템을 통과하여 수소가 발생하는 수소발생시스템에 사용될수 있다. 흡착층의 정화를 위해 증가된 압력질소의 사용 및 설명한바와같은 일체화된 전체 시스템의 사용에의해, 본 발명은 당분야에 유익하고 크게 바람직한 방법으로 상기한 목적들을 달성할 수 있다.

도면을 참조하여 이 분야의 당업자들은 설명한 구현의 여러 주요구성요소들이 본 발명의 수행으로 가능해진 일체화된 총괄 시스템에의해 상업적으로 유익한 기술을 구성할것으로 기대할것이다. 따라서 여기서 기재한 신규부분을 제외하고는 기본적인 PSA-수소정제시스템은 공지문헌(참고, 미국특허제 3, 430, 418호 및 3, 986, 849호)에 잘알려져있으며 이 분야에 잘 확립되어있다. 유사하게 본 발명의 전체적으로 일체화된 구현에 사용되는 공기분리, 수소발생 및 암모니아합성시스템은 잘알려져있고 확립된 기술들이다. 그와같이 알려진 시스템에대해 본 발명의 유리한결과는 작은양의 에너지로 암모니아를 생산하는데 중대한 역활을하는 일체화된 총괄시스템에 의한 것이다.

도면을 참조로 더 상세히 설명하면, 공급가스는 수소발생 시스템(2)로 라인(1)을 통해 통과하며, 이 시스템으로부터 수소함유흐름(stream)은 라인(3)을 통해 다층 PSA시스템(4)를 통과하며, 이 시스템에서 불순물들을 흡착하여 정제된 수소기류는 라인(5)를 통해 상기 시스템(4)로부터 배출된다. 상기 설명된바와 같이, 발명의 실시에있어 흡착되지않고 정제된 수소흐름은 암모니아 합성을 위해 유리한 양의 질소를 함유할것이다. 라인(5)중의 상기 수소-질소합성기류는 필수적으로 PSA시스템(4)에 사용된 흡착 압력에있게되며, 라인(7)을 통과하여 암모니아 합성유닛(8)로 진행하기전에 압축기(6)으로 더욱 압축되며, 합성유닛(8)에서 합성된 암모니아가스는 라인(9)을 통하여 회수된다.

본 발명의 개량된 정화공정에서 라인(10)을 통해 PSA시스템(4)로부터 제거한 정화가스는 질소, 메탄, 이산화탄소 및 수소로 구성된다. 이러한 기류는 열교환기(11)을 통과하여 예열되고, 라인(12)를 통과하여 연소실(13)에 도달하고, 거기서 공기와 혼합되고 연소하게되며, 그 결과 라인(14)를 통해 암모니아 합성유닛(8)로부터 상기 연소실을 통과하는 흐름을 높게 가열하기위해 사용되는 열원을 발생케한다. 과열시킨 증기는 라인(15)를 통해 연소실(13)에서 배출되어 상기 압축기(6)을 동작시키는데 사용하는 증기터빈(16)을 통과한다.

증기터빈(16)으로부터 배출된 증기는 팽창을 위해 라인(17)을 통해 터어빈(18)로 배출되어 발전기(19)를 작동키위한 동력을 공급한다. 터어빈(18)을 지나간 팽창된 증기는 라인(20)을 통해 열교환기(21)에 도달하여 냉각되고, 그 조작을 원활하게하기위해 펌프(23)을 포함하는 라인(22)를 통과하는 공정수와함께 라인(22 a)로부터 유입되는 보충수는 수소 발생시스템(2)에 제공된다. 나타낸바와같이, 물은 상기설명한바있는 라인(14)을 통해 유닛(8)로부터 배출되는 상기 증기의 발생을 위해 라인(24)을 통해 수소발생시스템(2)로부터 암모니아 합성유닛(8)로 공급된다.

열교환기(11)에서 예열되고, 연소실(13)에서 연소된후, 정화가스는 가스터어빈(25)를 통과한다. 이곳에서 저오하가스는 팽창되어 공기가 라인(27)을 통과하도록 공기압축기(26)을 작동키위한 동력을 발생시킨다. 상기 압축기(26)에서 압축된 일부의 공기는 라인(28)을 통해 교환기(29)에 도달하여 예열되고, 그후 라인(30)을 통해 연소실(13)에 도달한다. 압축기(25)를 빠져나온 팽창된 정화기체는 라인 (31)을 통해 열교환기(11)에 주입되어 라인(10)을 통해 PSA시스템(4)에서 배출되는 따뜻한 정화기류를 냉각시킨다. 라인(31)을 통해 열교환기(11)을 빠져나온 냉각된 정화가스는 굴뚝라인(32)을 통해 배출된다. 그러나 라인(31)중의 상기의 팽창된 정화기체 일부는 라인(33)을 통해 상기 열교환기(29)를 통과한다. 상기 교환기(29)에서 상기 일부의 팽창된 정화기체는 라인(28)로부터 압착되어 데워진공기를 냉각시킨다. 이러한 냉각된 정화기체는 상기 굴뚝라인(32)로 배출시키기위해 라인(34)를 통해 교환기(29)를 떠나게 된다.

상기 압축기(26)으로부터 압축된 공기는 라인(35)로 연결된 열교환기(36)을 통해 공기분리시스템의 하부칼럼(37)의 낮은 부분으로 진행한다. 이 시스템은 부산물인 고순도 산소와함께 질소 칼럼으로 동작한다. 고순도 기체상질소는 라인(38)을 통해 하부 칼럼(37)의 상부에서 배출되며 교환기(36)을 통과한다. 상기 기체상 질소의 일부는 라인(38)을 지나 압축기(39)을 통과한다음, 열교환기(36)을 지나는 라인(40)을 통해 컬럼(37)로 되돌아온다. 라인(37a)를 통해 칼럼(37)로부터 제거된 바닥의 액체는 과냉각되어 상기 공기분리시스템의 상부칼럼(41)의 상부에 유입된다. 여기서, 공기분리시스템은 하부칼럼(37)및 상부칼럼(41)로 이루어진 전체시스템을 나타낸다. 고순도 산소는 라인(42)을 통해 상부칼럼(41)의 저부로 부터 배출되어 수소발생시스템(2)을 통과하거나, 또한 라인(43)을 통해 부산물로 회수된다. 상부칼럼(41)로부터 제거한 폐기가스는 시스템으로부터 배출시키기전에 상기의 공기분리시스템으로 유입되는 기류를 가열하기위해 열교환기(36)을 통해 라인(44)로 배출된다.

라인(38)을 통해 압력하의 열교환기(36)을 떠나는 고순도 가스상 질소는 설명한 구현의 전체공정을 완성하는 정화가스로서 PSA시스템(4)를 통과한다.

상기 설명한 바와같이 PSA-수소시스템의 정화가스로서 증가된 압력을 유지하는 질소의 사용은 상기 PSA시스템에서 사용한 더 높은 흡착압력에서 더욱 유리한 암모니아 합성가스의 형성을 얻게한다는 것을 발견하게되었다. 이러한 목적을 위해 질소정화가스는 약 60내지 약 100 psia 의 증가된 정화가스압력에서 바람직하게 사용된다. 이러한 질소정화압력보다 더 높은 흡착압력은 약 300내지 약 1,000psia또는 그 이상이다. 따라서 PSA 시스템으로부터 배출한 암모니아합성기체중에서 회수된 질소는 상기 PSA시스템으로 통과하는 질소의 정화압력(60-100 psia)보다 더 높은 압력인 300-1000psia 에서 회수될것이다. 덧붙여 증가된 정화압력을 유지하면서 시스템으로부터 제거된 정화가스는 도면의 터어빈(25)를 작동하는데 사용된다. 본 발명의 바람직한 구현을 구성하는 상기한 전체, 총괄공정 및 시스템의 설명으로부터 기대할수있듯이 이러한 동력회수는 PSA-수소 시스템을 위해 수소 공급가스의 발생에 사용하기위한 산소 및 정화기체로서 사용하기위한 상기의 질소의 생산을 증가시키는 공기분리시스템을 위해 유효하게 사용할수 있다. 따라서 본 발명은 여기서 기재하고 청구하는 전체암모니아 생산공정 및 장치의 필수적부분인, 크게 요구되는 PSA-수소시스템을 개선하고 그것과 관련하여 에너지 경비를 감소시키는 전체암모니아 생산시스템의 바랍직한 총괄적인 기수를 제공한다.

상기한바와같이 본 발명의 실시에 사용하는 PSA-수소정제시스템은 유리한 정화가스로서 증가된 압력의 질소를 사용하는것을 제외화고는 알려진 통상적인 공정사이클을 사용한것이다. PSA 시스템은 수소-함유공급가스로부터 불순물을 선택적으로 흡착할 수 있는 다층 시스템으로 구성된다. 이러한 다층시스템은 적어도 7개층을 갖고, 바람직하게는 10개의 층을 포함한다. 이 시스템의 각각의 층은;

(1) 약 300내지 약 1,000 psia 또는 그 이상의 흡착압력에서 층입구로 공급가스를 유입시켜 그층에서 불순물을 흡착하고 그층의 배출말단으로부터 흡착하지않은 정제 수소기류를 배출시키고 ;

(2) 층의 배출말단으로부터 수소함유 공극공간가스의 배출로 층을 부분적 병류감압시키고 ;

(3)두층사이의 압력을 같도록하기위해 재가압되는 다른 층의 배출말단으로 상기 배출된 공극공간가스를 유입시키고 ;

(4) 낮은 탈착압력으로 층의 압력저하를 위해 그의 입구말단으로 가스의 배출과 더불어 층을 역류 감압시키고 ;

(5) 층의 입구말단으로부터 정화가스의 배출과함께 층을 정화하기위해 그의 탈착압력에서 층의 배출말단으로 정화가스를 유입시키고 ;

(6) 상기의 흡착압력으로 정화된 층을 재가압시키고 ;

(7) 수소함유공급가스의 추가양과 더불어 상기 순환단계를 반복수행하는 공지의 공정사이클을 거치게된다.

그와같은 PSA공정에관한 자세한 정보는 예를 들어 와그너(Wagner)의 미합중국특허 3, 430, 418호 및 푸데어러(Fuderer)의 미합중국특허 3, 986, 849호에 제시되었고, 상기 특허에서는 적어도 7개의 흡착층을 사용하는 다층시스템을 소개하였다. 그러나 본 발명의 실시에있어, 질소는 공정사이클중의 적당한 지점에서 약 60내지 약 100psia의 증가된 정화압력으로 각 층의 배출말단을 통과하며, 본 발명의 바람직한 구현에서 상기 질소는 PSA시스템으로부터 배출된 정화가스에의해 발생한 동력으로 압축시킨 공기를 이용한 공기분리시스템으로부터 얻어지고, 굴뚝으로 배출되기전에 정화가스로부터 에너지를 더욱 회수할 수 있는 열교환단계 및 연소단계와 더불어 상기 정화압력에서 필수적으로 팽창 터어빈을 통과한다.

상기한바와같이 PSA-수소정제공정의 조작으로 흡착하지 않은, 정제수소기류는 PSA 시스템의 각 상으로부터 배출되며, 흡착압력에서 질소 약 16내지 26부피%, 바람직하게는 약 20내지 약 25부피%, 대표적으로는 약 25부피%를 함유한다. 이 질소는 정화가 완결되는 층중에 남아있는 질소정화기체의 잔여량으로 구성되는 것으로 이해할수 있다. 따라서 본 발명의 PSA 시스템으로 부터 정제된 수소-질소가스는 댜략3:1H/N 혼합물에 가깝게 소량의 부가적인 질소의 첨가와함께 또는 단독으로 암모니아합성 공정에 크게 적합하다. 도면에 나타낸 바와같이 PSA 시스템(4)로 부터 수소-질소가스홈합물은 암로니아합성에 필요한 압력이 예를 들어 2000-4000psia정도로 PSA 흡착을 위해 사용되는 압력보다 일반적으로 크기때문에 압축기(6)으로 압축시킨다. 발명의 전체적인 총괄공정에있어 합성가스의 압축은 합성가스 압축기(6)을 작동시키는 터이빈(16)중에서 과열증기의 팽창으로 달성된다. 상기 과열증기는 정화가스가 연소되는, 바람직하게는 터어빈(25)을 통해 정화가스의 통과에의해 발생한 동력의 사용으로 압축된 공기와 함께 연소되는 연소실(13)에서 생성된다. 따라서 상승시킨 정화압력은 PSA 시스템중에서 생성한 수소=질소 합성가스혼합물중에서 뿐만아니라 상기의 상승시킨 압력에서 PSA 시스템으로부터 배출시킨 정화기체의 효력으로부터 나오는 에너지 경제에 크게 요구되는 이익을 얻게한다.

발명의 실시에 이용된 수소발생 시스템은 편리하게 상업적으로 유용한 기술을 이용할 수 있다. 수소는 예를들어 천연가스 또는 나프타 원료의 증기 개질에 의해, 탄화수소 원료의 부분산화에 의해 또는 석탄 가스화에 의해 생산할 수 있다. 어떤 특별한 적용에 사용한 수소 생산공정의 형태에도 불구하고, 제조된 수소함유기류는 예를 들면 대표적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 및 물과 같은 많은 불순물들을 함유하고 있는 것으로 이해하여야 할것이다. 본 도면에는 설명하지 않았으나 발명의 PSA 시스템에 있어 최종 정제 전에 수소기류를 처리하기 위해 여러가지 잘 알려진 통상적인 단계를 이용할 것이라는 것은 이 분야의 당업자에게 잘 알려진 사실이다. 따라서 수소함유 기체는 암모니아합성을 위해 사용하기 위한 수소의 마지막 정제를 위한 PSA 시스템으로 통과하기 전에 적당한 선택적 용매로 일산화탄소, 이산화탄소의 제거를 위해 일산화탄소 이동전환을 시킬 수 있다 .

특히 바람직한 수소발생 시스템에 있어, 주요부분인 약 60=70%의 탄화수소 공급기류는 공기 또는 산소와 함께 개질 기체혼합물중에 존재하는 전환하지 않은 탄화수소의 반응을 위해 이차 개질 구역으로 임의통과하는 뜨거운 유출물과 함께 일차 개질기의 개질관중에서 촉매증기 개질시킬 수 있다. 통상적인 일차 개질을 위해 필요한 열은 촉매-충진 개질관 외부의 일차 개질구역에서 공기와 함께 유체탄화수소 연료를 연소시킴으로서 공급된다. 그다음 상기 일차 또는 이차 개질 조작으로 부터 뜨거운 유출물은 일차 개질기-교환기의 개질관으로 부터 배출된 원료의 잔여부분을 촉매증기 개질시켜 얻어진 뜨거운 유출물과 혼합한다. 합해진 유출물은 개질기-교환기의 개질관 중에서 원료가 통해하게 역류로 개질기-교환기의 측벽을 통과하여, 개질기-교환기 유닛의 개질관을 거쳐 통과한 일부의 원로를 개질하기 위해 열을 공급한다. 한편 탄화수소공급류의 주요부분은 예를들면, 개질기-교환기 유닛의 개질관을 거쳐 통과한 일부의 원료를 개질하기 위해 열을 공급한다. 한편 탄화수소 공급류의 주요부분은 예를들면, 개질기-표환기 유닛에서 처리한 공급류의 잔여분과 함께 본 발명의 공기분리 시스템으로 부터 산소를 이용하여, 상기 설명한 바와같이 개질기-교환기의 측벽상의 유출흐름의 열을 이용하여 부분적으로 산화시킬 수 있다.

발명의 공기분리 시스템은 부산물로서 고순도 산소와 함게 질소 칼럼으로서 조작하며, 상기 시스템은 대표적인 대형 공기분리 플랜트 보다 더 간단하다. 따라서 상부-칼럼은 질소 정제부분 및 액체 질소 환류조작을 필요로하지 않는다. 동일한 용적의 통상적인 산소 플랜트와 비교하여, 하부 칼럼의 직경은 20%이상 더 클것이나 상부 칼럼의 직경은 약10%정도 더작게 할수있다. 상부 칼럼중의 많은 트레이(tray)는 그속에 질소 회수부분이 필요하지 않기 때문에 감소시킬 수 있다. 산소 회수는 이와같은 시스템 중에서 약 67%이고 폐기 기체는 약 16%의 산소를 포함하고 있다. 그러한 공기 분리 시스템은 그 자체로 새로운것이 아니다. 그것은 PSA정화 시스템이 암모니아 합성가스 생산을 증가시키고, 더욱더 에너지 절약을 달성하기 위한 전체 공정의 바람직한 구현을 실현하기 위해 증가된 압력에서 하부 칼럼으로 부터 질소를 제공하기위해 사용한다. 공기분리시스템은 예를 들면 15 psia 와 같이 저압질소를 제조한후, 상층 칼럼의 상부로 부터 적합한 압축기 장치에 의해 원하는 정화 압력으로 가압하는 다른 알려진 실시 구현으로 조작할수 있다. 상승시킨 압력에서 공기분리 플랜트 또는 시스템의 하부 칼럼으로 부터 질소의 추출은 통상적인 공기분리 플랜트에서 보다 더 작은 산소를 생산하지만 PSA 시스템의 정화가스를 위해 필요한 질소 압축을 하지 않아도 된다.

첨부한 청구범위에 기재한 발명의 범위로 부터 벗어남이 없이 특정한 구현으로 기재하고 예시한 바와같이 발명의 여러가지 다른변화 및 변경이 가능한 것으로 이해할 수 있다. 예를 들어 예시한 구현에서 PSA 시스템으로 부터 배출한 정화가스는 동력발생을 위해 팽창 터어빈으로 통행하기 전에 예를 들어 약 300℃내지 약 600℃로 예열된다. 도면은 또한 상기 터어빈으로 통해시키기 전에 예열한 기체를 연소구역으로 통과시킴을 보여주고 있다. 연소실로 부터 나오 배출가스는 팽창터어빈으로 들어가기 전에 예를 들어 약 600-1000℃로 냉각됨을 나타내고 있다. 배출가스로 부터 제거한 열을 편리하게 도면에 나타낸바와같이 공급수로 부터 증기를 발생시키기 위해 그리고/또는 증기를 과열시키는데 사용한다. 예열된 기체는 산소 또는공기와 함께 또는 산소가 풍부한 가스와 함께 여소시키기 전에 터어빈 중에서 팽창시킬 수 있다는 것은 알려진 사실이다. 후자의 실시에 있어, 연소구역 중에서 발생한 열은 연소구역을 통한 공급수의 통행에 의한 것과 같이 증기를 발생시키는데 사용할 수 있다. 물론 유용한 열은 전체 암모니아 생산 조작의 에너지 효율을 개선시키기 위해 다른 통상적인 방법으로 사용할 수 있다. 도면에 예시한 바와같이 계속 사용함에도 불구하고 연소구역 및 팽창 터어빈으로 통과시키고 예열시킨후 정화가스는 연소구역으로 통과하는 데워진 압축 공기류에 대한 열교환기 중에서 바람직하게 냉각되어 PSA 시스템으로 부터 데워진 정화가스는 상기 연소구역 및 팽창 터어빈으로 통과하게 된다.

수소발생 시스템 또는 다른 목적을 위해 사용하기 위한 가스 또는 액체 형태로, 공기분리 시스템으로 부터 산소를 추출하는 것도 본 발명의 범위내에 있다. 가스상 산소를 추출할때 일반적으로 500-1000pisa정도로 수소발생 유닛에 사용하기 위해 필요한 압력으로 산소 압축기 중에서 산소를 압축시킨다. 한편, 공기분리 유닛은 충분한 질소를 예를 들어 300내지 1000psia의 고압으로 압축시켜 액화하고 저 칼럼으로 재순환시켜 하부 칼럼으로 부터 액체 산소의 추출을 가능케하도록 조작할 수 있다. 이와같은 액체 산소는 예를 들어 400-1200psia로 수소발생 시스템 중에서 필요한 고압으로 펌프(pump)할수 있어, 산소 압축기를 사용할 필요가 없게 한다.

어떤 형태로든 공기분리 유닛으로 부터 얻어진 산소는 발명의 실시에 사용하게 되는 여러가지 다른 형태의 수소발생 유닛에 필요한 산소를 공급하는데 유리하게 이용할 수 있다. 따라서 산소는 부분 산화 또는 석탄 기화형 수소발생 시스템에 공급할 수 있다. 산소는 또한 탄화수소 공급물질의 일차 및 이차 재형성의 양자 모두에 사용하는 수소발생 유닛에 이차 재형성을 위해 사용할 수 있다. 압출시킨 일부분의 가스상 또는 액체 산소는 다른 목적을 위해 내보내는 유용한 산소의 잔여분과 함께 수소발생을 위해 사용할 수 있다는 것은 쉽게 이해할 수 있다. 공기분리 유닛으로 부터 아르곤을 분리하고 배출하기 위해 공기 정제칼럼을 사용하기 위한 것도 또한 본 발명의 범위내이다.

여러가지 다른 변화는 본 발명의 범위를 이탈하지 않고 전체 공정 및 장치의 여러 측면에 적용시킬 수 있다는 것은 이 분야에 당업자에게 자명한 것이다. 산소와 함께 공급기체의 이차 개질은 일차 개질기의 크기를 감소기키며 일차 개질 유출물과 다함께 이차 개질기에 직접적으로 도입하기 위해 일차 개질기의 주변에 예를 들어 상기 공급기체의 30-40%, 즉 그것의 일부를 우회시키는 것은 수소발생 조작에 팔요한 희석 증기를 실제로 절약하게 할 수 있다. 다른 구체형에 있어 부분적 산화 유닛은 상기한 바와같이 개질기-교환기 유닛과 함께 유리하게 사용할 수 있다. 공기분리 시스템에 있어, 예를 들어 약 80-100psia에서 상기 시스템으로 공기를 일부 통과시키는데 압축을 용이하게 하는 반면 그것의 다른 부분은 예를들어 약 300-900psia로 압착시킨다. 그로인해 고압으로 압축된 공기는 액화이며 액체로서 공기분리 시스템에 유입되며 상기 시스템으로 부터 액체 산소의 추출을 편리하게 한다. 그후 시스템으로부터 추출한 액화 산소는 상기한 바와 같이 산소 기체 압축기의 사용을 불필요하게 만들면서 고압으로 펌프할 수 있다.

도면의 전체적으로 일체화된 구현을 이용한 본 발명 실시의 한 실시예에서, 메탄 공급가스는 편리하게는 공기분리 유닛으로 부터 회수한 산소와 더불어 반응하기 위해분분산화 수소발생 유닛으로 통과한다. 발생된 수소-함유 가스 흐름은 일반적으로 약 60내지 약 75% 수소를 포함하며, 이와함께 약 25%이산화탄소와 소량의 일산화탄소 및 메틴을 포함한다. 가스 흐름은 도면에 표시되지 않은 액체 용매 세척탑과같은 재래적인 초기 정제 시스템에 전달되며, 여기서 다시 수소-함유 흐름은 예를 들어 열개의 층으로 된 PSA 시스템에 전달되어 최종 정제된다. 본 발명에 따라, 예를 들어 80psia의 질소가 PSA 처리 시스템에서 정화 기체로 사용된다. PSA시스템에서 회수되는 정제 수소는 이같이 높은 정화압력 조건하에서 질소를 사용함으로써, 약 23%질소를 함유한다. 따라서 정제된 수소-질소가스 흐름은 합성압력, 예를 들어 3000psia으로 압축되는 편리함 암모니아 합성기체이며, 이것은 암모니아 제품 기체로 전환된다. 합성가스 압축을 위한 동력은 PSA시스템서 배출되는 불순물-함유 정화가스로 부터 회수된 열에 의해 생산된 과열 증기에 의해 작동되는 증기 터어빈으로 공급된다. 정화가스는 굴뚝으로 배출될 팽창 정화기체에 대해 초기에 예열된다. 약 75psia에서 예열된 정화가스는 연소구역에 전달되어, 여기서 1200-1300℃에서 압축공기로 연소된다. 그 결과 발생한 열은 PSA시스템에서 회수되는 상기 암모니아 합성가스를 압축하는데 사용되는 압축기에 동력을 공급하는 증기 터어빈을 운정하기 위해 사용되는 상기 증기를 과열하기 위해 사용된다.

예를 들어 74psia 및 740℃에서 연소구역을 떠나는 정화가스는 가스 터어빈 내에서 팽창되고, 연소구역에 전달되는 압축가스와 PSA시스템으로 부터 연소구역에 전달되는 정화가스를 데우기 위해 열교환기를 통과한 후 에, 굴뚝으로 배출된다. 기체 터어빈에서 생산되는 동력은 공기 압축기를 운전하는데 사용되며, 100psia의 공기를 얻는다. 압축공기의 일부분이 예열되어 상기 연소구역에 전달되며, 나머지는 PSA유닛에 정화가스로 사용되는 80psia 정도의 질소기체를 생산하도록 만들어진 공기분리 유닛에 전달된다. 예를들어-300°F로 공기 분리 유닛에서 나오는 폐기 기체는 약-260°F로 유지되는 하부탑의 밑면에서 분리 유닛으로 들어가는 압축공기를 냉각하는데 사용될 수 있다. 시스템으로 부터 배출된 액체산소는 예를 들어, 600psia로 부분산화 유닛에 전달되어 매탄 공급가스 추가량과 반응한다. 에너지를 더 회수하기 위하여 합성가스 압축기를 약 70psia에서 운전하기 위해 사용되는 증기 터어빈을 빠져나온 증기는 동력을 발생하기 위해 더욱 팽창되고, 냉각 보일러 주입 및 그와 유사한 목적으로 사용할 수 있는 공정수를 응축시키기 위해 냉각된다.

본 발명의 실시에서 PSA 유닛으로 부터 얻어지는 정화가스 유출물은 동력생산 목적으로 효율적으로 사용될수 있다. 질소 뿐만 아니라 수소, 메탄, 산화 탄소등을 함유하는 이 유출물은 높은 압력에서 얻을 수 있으며, 실시예에서 동력생산 목적으로 기체 터어빈 내에서 연소되고 팽창된다. 하루에 1,000톤을 생산하는 암모니아 플랜트를 기준으로 15,000 KW의 가스 터어빈 동력을 얻을 수 있다. 이러한 동력은, 실시예에서처럼 정화가스 연소 및 공기분리 유닛에서의 처리를 위해 사용되는 공기를 압축하는 압축기를 운전하는데 편리하게 이용된다. 또한 얻어지는 질소는 높은 압력에서의 질소 정화가스로 사용된다. 배출된 산소는 전체 공정과 시스템에 사용되어 질소 생산 유닛에 전달되며, PSA유닛에 대해 수소-함유 공급기체를 얻는다. 이러한 전체적인 경제성 때문에 본 발명은 현재 사용되는 다른 기술들을 얻을 수 있는것 보다 낮은 에너지 비용으로 순수 합성가스 및 제품 암모니아를 생산할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시에 의한 유리한 암모니아 생산에 필요한 원료 및 연료의 양은 가장 경쟁적인 다른 공정에 비해 약 5내지 10%적게 든다. 또한, 높은 압력 질소 정화로 인해 흡착제층 들을 가로지르는 압력강하가 줄어들어서 PSA 시스템의 디자인을 간단하게 할 수 있다. 이와같은 PSA 시스템의 개선과 그로 인한 시스템의 흡착 압력으로 효율적인 암모니아 합성가스를 바람직한 방향으로 생산함으로써, 본 발명은 전체적인 장점을 지니며, 암모니아 생산용 압력진동 공정을 매우 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (31)

1. (A)수소를 함유하는 공급가스로부터 불순물들을 선택적으로 흡착할 수 있으며 각 층이 : (1) 300내지 1,000psia 의 압력에서층의 입구 종단에 공급가스가 도입되어 공급가스로부터의 불순물의 흡착되고, 그리고 비흡착된 정제 수소기류는 배출종단을 통해 배출되어지는 단계 : (2) 수소를 함유하는 공극공간가스가 배출종단을 통해 방출되어 층의 압력이 부분적으로 감압되는 병류 감압단계 : (3) 재가압중인 다른 흡착층의 배출종단에 방출공극공간가스가 공급되어 두충사이의 압력이 같아지는 압력균형화단계 : (4) 층의 입구종단을 통해 가스가 방출되어 더낮은 탈착압력으로 감압되는 역류 감압단계 : (5) 가스의 탈착압력에서 층의 배출종단에 정화가스가 도입되어 층이 정화된후 층의 입구종단을 통해 정화가스가 배출되는 정화단계 : (6) 정화된 층이 가스의 흡착압력으로 재가압되는 재가압 단계 : 및 (7) 부가적인 양의 공급가스가 공급되어 상기 (1)-(6)의 단계들의 반복으로 구성되는 공정사이클을 수행하게되는 다층 압력진동흡작(PSA)시스템에 300 내지 1,000 psia의 압력으로 수소를 함유하는 공급가스를 통과시키고 : (B) 상기의 흡착압력에서 계속되는 흡착단계동안에 각 층으로부터 회수된 비흡착된 정제 수소 기류가 16내지 26부피%의 질소를 함유하고, 거기에 함유되지 않은 질소는 정화단계의 완결시에 층에 남아있도록 60내지 100psia의 증가된 정화압력에서 각층의 배출종단에 정화가스로서 질소를 통과시키고 : (C) 압력진동흡착시스템으로부터 배출되어진 정제 수소-질소 가스로부터 암모니아를 합성하는 것으로 구성된 암모니아의 제조를 위한 개선된 공정.
2. 60내지 100psia 의 압력에서 층의 입구말단으로부터 배출된 정화가스를 팽창터어빈에서 팽차시켜 동력을 생산하고, 총괄 암모니아합성공정을 더욱 상승시키는 것이 제1항에 추가된 공정.
3. 제2항에있어서, 정화가스를 대기압정도로 팽창시키는것을 특징으로하는 공정.
4. 정화가스를 팽창터어빈에 전달하기전에 팽창터어빈 배출가스와 간접열교환하여 상기 정화가스를 가열하는 것이 제2항에 추가된 공정.
5. 제4항에있어서, 정화가스가 300℃내지 600℃로 예열됨을 특징으로하는 공정.
6. 제5항에있어서, 예열팽창된 정화가스가 연소지역에서 공기와 섞여 연소되어 열원을 생산하는것을 특징으로 하는 공정.
7. 공급수 또는 증기를 상기 연소지역속으로 통과시켜 증기를 생산하거나 과열시키는 것이 제6항에 추가된 공정.
8. 제5항에 있어서, 예열정화가스가 팽창 터어빈에 전달되기전에 연소구역에 전달되는 것을 특징으로하는 공정.
9. 제8항에있어서, 예열정화가스가 팽창 터어빈에 전달되기전에 증기를 간접적으로 과열시키는데 사용되는 것을 특징으로하는 공정.
10. 과열증기를 증기터어빈-압축기 유닛에 전달하여 팽창시키고, 증기터어빈은 압축기를 움직이고, 그로인해 암모니아를 합서하기전에 상기 정화수소-질소가스가 압축되는것이 제9항에 추가된 공정.
11. 정화가스를 팽창터어빈을 통해 전달하여 생산된 동력으로 공기압축기를 운전하는것이 제2항에 추가된 공정.
12. 정화가스를 공기, 산소, 또는 산소-부유공기로 연소시키는것이 제11항에 추가된 공정.
13. 제12항에 있어서, 팽창 터이빈을 통해 정화가스를 통과시켜 생산한 동력으로 압축한 공기의 일부분을 정화가스의 연소를 위해 사용하는것을 특징으로하는 공정.
14. 제13항에있어서, 정화가스를 예열하여, 팽창터어빈에 전달하기전에 연소하기위해 연소구역에 전달하는 것을 특징으로하는 공정.
15. 제13항에있어서, 정화가스를 팽창터어빈에 전달하기전에 예열하고 그 후에 압축공기로 연소기키기 위해 연소구역에 전달하는것을 특징으로하는 공정.
16. 압축기로부터 압축된 공기를 공기분리 시스템으로 통과시키는것이 제11항에 추가된 공정.
17. 제16항에있어서, 공기분리시스템에서 생산된 질소를 높은 정화압력에서 압력진동흡착시스템에 전달되는 정화가스로 사용하는것을 특징으로하는 공정.
18. 공기분리시스템에서 생산된 산소를 수소생산시스템에 전달하여 탄화수소를 산화시키는데 사용하여 압력 전동시스템용 수소-함유 원료가스를 생산하는것이 제17항에 추가된 공정.
19. 제17항에 있어서, 질소를 공기분리시스템의 하부칼럼으로부터 높은 압력정화가스로 배출시킴을 특징으로하는 공정.
20. 제17항에있어서, 비교적 낮은 압력의 질소를 상부칼럼의 상부에서 회수하여 정화압력까지 압축하는것을 특징으로하는 공정.
21. 제18항에 있어서, 질소를 300내지 1,000 psia 의 압력으로 압축하고 액화하여 상기 공기분리시스템의 하부칼럼으로 되돌려 재순환시키고 상부칼럼에서 액체산소를 빼내어 상기 산소를 수소생산시스템에 필요한 압력까지 펌프질하는 것을 특징으로하는 공정.
22. 제21항에있어서, 수소생산시스템이 부분산화 시스템인것을 특징으로하는 공정.
23. 제21항에있어서, 수소생산시스템이 석탄가스화 시스템인것을 특징으로하는 공정.
24. 제21항에있어서, 수소생산시스템이 일차 및 이차 개질 시스템으로 이루어지고, 산소를 이차 개질에 사용하는것을 특징으로하는 공정.
25. 제18항에있어서, 산소를 공기분리시스템으로부터 가스산소로 배출하고 산소를 수소생산시스템에 필요한 압력으로 압축함을 특징으로하는 공정.
26. 제18항에있어서, 기체 또는 액체형태로 생산되는 산소의 일부분을 상기 생산외의 다른 목적을 위해 회수함을 특징으로하는 공정.
27. 분리되는 공기를 아르곤 제거칼럼에 전달하고 공기분리시스템에서 분리된 아르곤을 회수하는것이 제18항에 추가된 공정.
28. 제18항에있어서, 공기분리시스템에 전달되는 공기의 일부분을 80내지 100 psia로 압축하며, 나머지부분을 300내지 900 psia 로 압축하고, 보다높은 압력으로 압축된 상기 공기를 액화하여 액체로 공기분리시스템에 주입하여 액체산소를 상기 시스템에서 배출되게하고, 액체산소를 수소생산 시스템에 필요한 압력까지 펌프질하는것을 특징으로하는 공정.
29. 제18항에있어서, 수소발생시스템이 일차 및 이차개질시스템으로 이루어지고, 탄화수소공급의 일부분을 이차 개질시스템에 직접전달하여 산소와 반응시킴을 특징으로하는 공정.
30. 제18항에있어서, 수소발생시스템이 부분 산화유닛 및 개질기-교환기 유닛으로 이루어지고, 탄화수소 공급의 일부분을 상기 개질기-교환기 유닛에 직접 전달하는것을 특징으로하는 공정.
31. 제30항에있어서, 수소발생시스템이 일차 개질유닛을 포함하는 증기개질시스템, 이차 개질유닛 및 개질기-교환기 유닛으로 이루어지고, 상기 산소를 이차 개질 유닛에 사용하고, 탄화수소의 일부분을 상기 개질기-교환기 유닛에 직접 전달하는것을 특징으로하는 공정.

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