SU1770277A1

SU1770277A1 - Способ производства аммиака

Info

Publication number: SU1770277A1
Application number: SU894754591A
Authority: SU
Inventors: Mikhail Kh Sosna; Yulij K Bajchtok; Alevtina L Lobanovskaya; Marina P Shilkina
Original assignee: Gni Pi Azotnoj Promy Produktov
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1992-10-23

Description

Изобретение относится к производству аммиака из газообразных и жидких углеводородов и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности.

Целью изобретения является снижение энергозатрат.

На чертеже изображена технологическая схема предлагаемого способа производства аммиака и водорода.

Схема включает смеситель углеводородного сырья с водяным паром 1, теплообменник 2, трубчатый конвертор первичного парового риформинга 3, шахтный доконвертор вторичного риформинга 4, аппарат теплоиспользоеэния 5, стадию конверсии СО 6, стадию отмывки от СОг 7, стадию метаниро вания 8, отделитель водорода 9. смеситель водорода с азотоводородной смесью 10, компрессор азотоводородной смеси 11, колонну синтеза аммиака 12, хладообменник 13, циркуляционный компрессор 14, сепаратор жидкого аммиака 15, отделитель водорода из продувочных газов синтеза аммиака

16. компрессор технологического воздуха

17, компрессор воздуха на сжигание 18, камеру сжигания газотурбокомпрессорного агрегата 19, газовую турбину 20, блок теплоиспользования 21 за газовой турбиной.

Сжатое углеводородное сырье в смесителе 1 смешивают с водяным паром и после нагрева в теплообменнике 2 за счет тепла конвертированного газа после вторичного риформинга подают в трубчатый конвертор

IV ZZZOZZL

3, где в реакционных трубах на никелевом катализаторе за счет косвенного теплообмена с потоком конвертированного газа после воздушного шахтного риформинга происходит процесс парового риформинга при 621-749°С до остаточного метана 25,04-44,62 об.%. Конвертированный газ после конвертора 3 поступает в шахтный деконвертор 4. Сюда же подают нагретый до 700-900°С технологический воздух.

В шахтном деконверторе происходит процесс воздушной доконверсии углеводородов при 1010°С соотношением (Нз~ СО)/№ = 1,38-2,0, Конвертированный газ направляется в конвертор 3, где отдает тепло для покрытия эндотермического эффекта процесса паровой конверсии.

Из трубчатого конвертора конвертированный газ выходит с температурой 520800°С и, нагревая исходную пароуглеводородную смесь в теплообменнике 2, направляется на охладители системы утилизации тепла 5. После охлаждения до 360°С конвертированный газ последовательно проходит стадии конверсии оксида углерода 6, отмывку от диоксида углерода 7 и стадию метанирования остатков СО и СОг 8. На всех вышеперечисленных стадиях происходит рациональная утилизация вторичных тепловых ресурсов, выделяемых в процессе протекания экзотермических реакций с получением технологического и энергетического пара. Очищенная от оксида и диоксида углерода азотоводородная смесь с соотношением H2/N2 1,32-1,19 направляется в отделитель водорода 9, где из смеси выделяют водород под давлением одним из известных способов. Оставшуюся обогащенную азотом фракцию, содержащую водород, аргон, метан, разделяют на два потока, один из которых смешивают с выделенным водородом в смесителе 10 с образованием азотоводородной смеси с соотношением H2/N2 2,9-3,0, а другой поток направляют на сжигание в камеру газовой турбины.

Азотоводородную смесь компримируют в компрессоре 11 до давления синтеза, смешивают с циркуляционным газом и направляют в колонну синтеза аммиака 12. Далее смесь пропускают через хладообменник 13 и сепаратор 15, где из смеси выделяется аммиак.

Затем смесь, пройдя обратным ходом хладообменник 13, разделяется на два потока. Один из потоков направляют в компрессор циркуляционного газа 14, а другой (продувочные газы синтеза аммиака) - в отделитель водорода из продувочных газов синтеза аммиака 16.

Выделенный водород из отделителя 16 направляют на смешение с Ν-H смесью до получения стехиометрического состава.

Продувочные газы после отделения из них водорода, содержащие метан, водород, аргон и азот, под давлением смешивают с вторым потоком обогащенной азотом фракции после отделителя водорода 9 и направляют на сжигание в камеру сгорания 19 газотурбинного агрегата 20. Сюда же подают сжатый в компрессоре 18 воздух на горение. Газотурбинный агрегат используется для привода компрессора топливного воздуха 18 и компрессора технологического воздуха 17, после которого технологический воздух нагревают до 700-900°С в блоке теплоиспользования 21 и направляют на процесс шахтной доконверсии в конвертор 4.

П р и м е р 1. Углеводородное сырье в количестве 46315 нм³/ч, имеющее состав, об.%: СОг 0,03; Нг 4,2; N2 6,98; Аг 0,03; СНд 82,2; СгНб 4,47; СзНе 1.36; СдНю 0,49; С5Н12 0,24, компримируют до 4,3 МПа, смешивают с водяным паром в смесителе 1, нагревают в теплообменнике 2 до 450°С и подают в трубчатый реактор 3, где в реакционных трубах на никелевом катализаторе за счет косвенного теплообмена с потоком конвертированного газа после воздушного шахтного риформинга происходит процесс паровой конверсии при 727°С до содержания остаточного метана в смеси 28,08 об;%. В шахтный конвертер 4 поступает конвертированный газ после первичного риформинга; в него также подают 91829 нм³/ч воздуха, нагретого до 800°С.

Процесс воздушной конверсии углеводородов происходит при температуре 1010°С, давлении 3,69 МПа и соотношении (Нг~CO)/Na 1,84. 321453 м³/ч конвертированного газа, имеющего состав, об,%: СОг 4,53; СО 9,41; Н₂ 33.60; N2 23,31; Аг0,28; СЩ 0,24; НгО 28,63, выводят вниз межтрубного пространства реактора трубчатого при 560°С, нагревают исходную пароуглеродную смесь в теплообменнике 2 и охлаждают в системе утилизации тепла до 360°С.

Далее конвертированный газ последовательно направляют на стадии оксида углерода, отмывки от диоксида углерода и стадию метанирования от остатков СО и СО₂. .

207744 м³/ч очищенной и осушенной азотоводородной смеси состава, об.%: Нг 62,95; N2 35,59; Аг 0,42; СНд 1,04, при давлении 2,99 МПа, температуре 40°С направляют в отделитель водорода, где из смеси выделяют 111157 м³/ч водорода при давле' кии 2,99 МПа.

Оставшуюся обогащенную азотом смесь в количестве 96587 нм³/ч разделяют на два потока в соотношении 0,45; 0,55, первый из которых с давлением 2,87 МПа направляют на сжигание в камеру газотурбинного агрегата, а второй поток смешивают с выделенным водородом, получая отношение H2/N2 = 3, дожимают до давления 30,0 МПа и направляют на синтез аммйака.

Примеры 1-5 приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, что за счет рекуперации энергии обогащенного азотом потока в газотурбинном агрегате происходит снижение энергозатрат на 0.252-0,05 Гкал/1 т NH3 по сравнению с прототипом.

Расчет снижения энергозатрат произведен с учетом расходов энергии на компримирование и подогрев технологического воздуха. Затраты энергии на выделение водорода не включены в расчет, так как в указанных способах выделения водорода используется бросовое тепло на уровне 6080° С.

Граничные величины снижения энергозатрат обусловлены температурой конвертированного газа на выходе из межтрубного пространства трубчатого конвертора. Температура ниже 520°С вызывает нерациональное изменение конструктивных и технологических параметров (увеличение длины реакционных труб и высоты аппарата, увеличение сопротивления перепада давлений, что приводит к увеличению энергоемкости), а при температуре 800°С 2-ступенчатая конверсия метана практически заменяется одноступенчатой шахтной конверсией.

Выделение водорода предусматривается либо в присутствии интерметаллических соединений типа LaNi5, FeTi и т.п. за счет использования бросового тепла, имеющегося в схеме на уровне температур 60-80°С, либо с помощью металлических мембран в присутствии водяного пара под давлением 3,0 МПа, который должен быть использован в качестве теплоносителя на другой стадии. При выделении водорода в присутствии пара температурный уровень последнего не меняется, снижается только его парционное давление, затраты энергии на получение водорода с помощью металлических мембран в присутствии водяного пара практически сводятся к нулю.

Примере иллюстрирует предлагаемый способ с выделением водорода методом адсорбции.

Примерб. Углеводородное сырье в количестве 46315 нм³/ч.имеющее состав. об.%: СО2 0,03; Нг 4.2; N? 6 98: Аг 0,03; СНл

82,2; С2Н6 4.47; С₃Н₆ 1.36: С4НюО,49; С5Н12 0.24, компримируют до 4,3 МПа, смешивают с водяным паром в смесителе 1, нагревают в теплообменнике 2 до 450°С и подают в трубчатый реактор 3, где в реакционных трубах на никелевом катализаторе за счет косвенного теплообмена с потоком конвертированного газа после воздушного шахтного риформинга происходит процесс паровой конверсии при 727°С до содержания остаточного метана в смеси 28.08 об.%. В шахтный конвертор 4 поступает конвертированный газ после первичного риформинга, в него также подают 91829 нм³/ч воздуха, нагретого до 800°С.

Процесс воздушной конверсии углеводородов происходит при температуре 1010°С, давлении 3,69 МПа и соотношении (H₂+CO)/N₂ 1,84. 321453 м³/ч конвертированного газа, имеющего состав, об.%: СО2 4,53; СО9.41; Нг33.60: N₂23,31; Аг0.28; СН4 0,24: Н2О 28,63, выводят из межтрубного пространства трубчатого реактора при 560°С, нагревают исходную пароуглеродную смесь в теплообменнике 2 и охлаждают в системе утилизации тепла до 360°С.

Далее конвертированный газ последовательно направляют на стадии оксида углерода, отмывки от диоксида углерода и стадию метанирования от остатков СО и СО2.

207744 нм³/ч очищенной и осушенной азотоводородной смеси состава, об.%: Нг 62.95; N2 35,59; Аг 0.42; СНд 1,04, при давлении 2,99 МПа, температуре 40°С направляют в адсорбер, где из смеси выделяют 111157 нм³/ч водорода при давлении 2,99 МПа, а на твердом сорбенте, в качестве которого могут быть использованы, например, цеолиты или активированный уголь, происходит адсорбция N2, Аг, СН4. Десорбцию осуществляют путем продувки адсорбента водяным паром при давлении 3.0 МПа с последующей продувкой частью выделенного водорода путем сброса его давления до 0,1 МПа.

Процесс выделения водорода осуществляется циклически, отдувочный водород после адсорбера в количестве 7781 нм³/ч компримируют до 3.0 МПа и смешивают с выделенным из адсорбера водородом. При этом появляются дополнительные энергозатраты по компримированию водорода, которые составляют 0.023 Гкал/т NH3.

Обогащенную азотом парогазовую десорбированную фракцию охлаждают, используя при этом тепло конденсации водяного пара в технологическом цикле, отделяют кондесат и получают 96587 нм³/ч газовой смеси при давлении 2.89 МПа сле дующего состава, об.%: N2 76,54; Нг 20,31; СН4 2,24; Аг 0,91.

Полученную смесь разделяют на 2 потока в отношении 0,45:0,55. Первый поток направляют на сжигание в камеру 5 газотурбинного, агрегата, а второй поток смешивают с выделенным водородом, получая отношение H2/N2 = 3, дожимают с 2,99 МПа до 30 МПа и направляют на синтез аммиака. 10

Производительность отделения синтеза 1580 т/сут.

В примере 6 по сравнению с примерами 1-5 при той же производительности по аммиаку 1580 т/сут появляются дополнитель- 15 ные затраты энергии на компримирование 7781 нм³/ч водорода с 0,1 МПа до 3,0 МПа, которые составляют 0,023 Гкал/т NH3.

Общая экономия энергозатрат в примере 6 по сравнению с прототипом составляет 20 0,207 Гкал/т NH₃ или 0,87 ГДж/т NH₃.

Способ позволяет существенно снизить энергозатраты за счет замены процесса разделения конвертированного и продувочных газов на процесс выделения водорода 25 из них одним из способов, при котором сохраняется давление азотной и отбросной фракции; разделения оставшейся после выделения водорода азотной фракции на два потока, один из которых компримируют до 30 давления синтеза аммиака, а второй под давлением направляют в камеру сжигания газотурбокомпрессорного агрегата; выделения водорода из конвертированного газа без изменения давления.

Claims

Формула изобретения

Способ производства аммиака, включающий двухступенчатую каталитическую конверсию углеводородного сырья под давлением с водяным паром и воздухом, сжимаемым компрессором с приводом от газовой турбины, конверсию оксида углерода с получением азотоводородной смеси, очистку ее от оксидов углерода и подачу на приготовление азотоводородной смеси стехиометрического состава, синтез аммиака под давлением, превышающим давление конверсии, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, приготовление азотоводородной смеси стехиометрического состава осуществляют путем выделения из газовой смеси водорода с поддержанием в оставшемся газовом потоке давления не ниже 94-96% от давления исходной разделяемой смеси, оставшийся после выделения водорода газовый поток делят в соотношении (0,4-0,6):(0,6-0,4), один из которых подают на смешение с выделенным водородом в отношении водорода к азоту, равном 3:1, а другой газовый поток подают на турбину.

Производительность производства аммиака 1560 т/сут

Показатель Г Пример Прототип ________L „2________1 5 Расход углеводородного сырья, нм³/ч 06315 06728 1)5901) 05600 09708·' 06315 Температура воздуха на технологию, 800 700 ООО 800 800 800 Расход воздуха на технологию, нм^э/ч 01829 95806 88106 80690 123270 91829 Энергозатраты на компримирование, Гкал/т NHj 0,666 0,695 0,600 0,610 0,890 0,666 Температура конвертированного газа на выходе из нежтрубкого'пространства трубчатого реактораС 580 580 580 520 800 580 Отношение после.стадии метанироеания 1.77 1,7 1,80 1,910 1,32 1,77 Расход энергии на подогрев воздуха, Гкал/т КН_А 0,259 0,219 0,297 0,239 0,308 0,259 Отношение потоков обогащенной азотом смеси, газотурбинный агрегат:синтез аммиака 0,1,5:0,55 0,08:0,52 0,03:0,57 0,0:0,6 0,6:0, 4 - Давление обогащенного азотом потока, МПа 2,87 2,81 2,80 2,87 2,87 0,13 Энергия азотной Фракции, аоэвращаемая в газовой турбине, Гкал/т NU₃ 0,23 0,21| 0,20 0,18 0,37 Общая экономия энергии, Гкал/т 0,23 0,251 0,188 0,252 0,053 -