一种氨的合成工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种氨的合成工艺，尤其涉及一种充分利用合成氨反应热的合成工艺。包括氮氢气的压缩、氨合成反应和氨分离等单元过程，其特征在于用气轮机代替了传统工艺中的余热锅炉和锅炉给水加热器，出合成塔的高温高压气体进入气轮机获得膨胀功，并驱动多级压缩机，而且气轮机的输出功率远大于压缩机的功耗，即氨的合成工艺的动力自给有余。不但彻底改变了传统工艺中需向压缩机提供大量功耗的状况，还可向外输出动力或电能。另外，新的工艺流程大幅缩短，相应的工艺配管大量减少；合成高压圈的范围大大缩小，减小了设备的投资费用和运行管理费用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氨的合成工艺，尤其涉及一种充分利用合成氨反应热的氨的合成工艺。
技术介绍
合成氨工艺一般包括造气、净化、合成和分离四大环节，其中氨的合成工艺是整个 工艺过程的核心。氨的合成工艺主要由氮氢气的压缩、氨合成和氨分离等几个单元组成。即 将精制的氢氮气部分合成为氨，并采用冷却、冷冻的方法将氨分离出来而得到液氨产品。由 于经合成塔一次合成的氨的产率并不高，通常把氨分离后的氮氢气(称为循环气)与新鲜 氮氢气混合，然后进行压缩和加热，再进入合成塔进行合成反应。由于氨合成在较高温度下 进行，且氨的合成反应为放热反应，因此氨合成后的混合气体为高温高压气体，氨分离则必 须在低温(常在o°c以下)下进行，因此氨的合成工艺过程总是伴随着升温一降温一升 温……，这导致了存储于工艺气体中的大量势能和内能的损失，俗称为“冷热病”。在目前工业化技术的氨合成条件下，氨合成塔的出塔气体温度达450 550°C，理 论计算和工程实践表明，在450°C时，每生成IKmol的氨，可以放出54. 5MJ的热量。对于年 产50万吨的合成氨装置，每小时有224GJ的反应热可以利用。如今普遍采用的是通过副产 蒸汽或加热锅炉给水回收热量，然后由锅炉提高品位后产生高压蒸汽，通过蒸汽透平驱动 合成氨装置的离心式压缩机。工艺中的热功转换，实际上是通过换热给另一种工质——7jC, 水作为载热体完成整个循环。这种水_蒸汽-水的间接循环方式未能充分地利用合成氨反 应热，因此提高反应热的利用效率，是氨合成工艺发展的一个重要方向。专利号为200710139645. 3的专利“利用合成氨放空气势能发电的方法”，公开了 一种合成氨放空气的势能利用方法，实施例中显示在年产24万吨合成氨规模下，将这一 部分势能所发的电重新投入合成氨生产中，则每生产1吨液氨可以节电33度，降低电耗 2.3%。然而在合成工序中，放空气仅是合成循环气中的很小一部分，更多的工艺气体在经 历氨分离后重新压缩升温进入合成塔，大量的反应热以合成循环气的分子动能和势能为载 体，因此不仅可利用放空气的势能，而且有更多的循环气内能可供利用。
技术实现思路
本专利技术提出的氨的合成工艺，旨在克服现有技术之不足，提供一种高效利用氨合 成反应热的方法。本专利技术的技术方案是，氨的合成工艺包括氮氢气的压缩、氨合成和氨分离单元过 程，其特征在于从氨合成塔(1)出来的高温高压气体进入气轮机(2)获取膨胀功，同时降 低温度和压力；从气轮机⑵出来的气体经过热交换器⑶冷却，降低温度并回收热量；经 冷却后的气体进入氨分离单元(4)实现氨与氮氢气的分离；经氨分离后的氮氢气与新鲜氮 氢气混合进入压缩单元(5)提高压力；经压缩达到压力要求的氮氢气经过热交换器(3)加 热进入氨合成塔(1)进行氨合成，或经压缩达到压力要求的氮氢气直接进入氨合成塔(1)进行氨合成；上述从氨合成塔(1)出来的气体压力为15Mpa 80Mpa、温度为400°C 650°C ； 从气轮机出来的气体，压力降至1. 8Mpa lOMPa，温度降至150°C 300°C，之后进入热交换 器冷却至40°C 250°C，压力为1.7Mpa 9. 9Mpa ；经氨分离后的氮氢气压力为1. 6Mpa 9. 7MPa，温度为-5°C 60°C ；经过压缩单元(5)的氮氢气，压力提高到15Mpa 80MPa，温 度为 60°C 200°C。氨分离单元(4)采用吸收式氨分离方式。气轮机⑵获得的机械功，直接用于驱动压缩单元(5)的压缩机(5. 1)、(5.2)，并 与动力平衡单元(6)连接实现动力与负载的平衡。依据气轮机(2)获得的机械功与压缩单元(5)的压缩机所需要的机械功比较，动 力平衡单元(6)为负载或动力。本专利技术从氨合成塔中出来的高温高压气体，直接进入气轮机膨胀做功，降低压力 和温度，获取的机械功作为动力直接驱动用于压缩氮氢气的压缩机。由合成氨的前序工段 提供符合要求的氮氢气(包括微量杂质气体，称为新鲜气)，与氨分离后的氮氢气(称为循 环气)混合进入压缩单元进行多级压缩，继而进入热交换器加热到工艺要求的温度，最后 进入合成塔开始合成反应，并由于反应热的释放进一步提高气体的温度。由于合成反应是 可逆的，单次反应只能合成约12% 22%的氨，出塔的混合气中还含有大量可循环利用的 氮气和氢气。高温高压状态下的出塔混合气进入气轮机，气体内能直接转化为机械能，驱动 压缩单元的压缩机。压缩单元由多级压缩机以及级间冷却器组成，气轮机同时带动压缩机 (5. 1)、(5. 2)。经过计算，正常情况下，气轮机的输出功远大于驱动压缩机所需功耗，因此气 轮机还可以输出一定量的净功，用以驱动其它负载，如驱动发电机发电。从气轮机出来的混 合气体(氮氢气、氨和其它杂质气体)，温度和压力大幅降低，继而进入热交换器的热侧，被 冷侧的气体进一步冷却后，进入氨分离单元。在氨分离单元中，混合气体被进一步冷却，然 后采用公知的工质吸收、吸附或冷冻冷凝的方式，把氨从混合气体中分离出来。氨分离后的 气体(循环气)与新鲜氮氢气混合，进入压缩单元，便完成了一次“压缩——合成——膨胀 做功——氨分离——压缩”的循环。气轮机的输出功与压缩单元的功耗存在不平衡，因此设置动力平衡单元，在动力 不足时(开车、生产不稳定等情况)输入动力，在动力过剩时作为负载消耗动力。输入动力 的机械如电机、汽轮机、燃气轮机等，消耗动力的机械如发电机、冰机、空压机等。相比传统氨合成工艺，本专利技术所公开的氨的合成工艺有如下优点。首先，本工艺提 高了氨合成反应热的利用率，将其通过气轮机直接转化为膨胀功，膨胀功直接供给压缩单 元的压缩功耗，自给有余，彻底改变了传统氨合成工艺大量消耗外源提供压缩功耗的状况。 其次，本工艺中压缩机由气轮机驱动，工艺流程大幅缩短，相应的工艺配管也大量减少，尤 其是合成氨反应热的传递无需再传给中间介质水，做功工质即为工艺气体。传统流程中，锅 炉给水在预热器中吸收合成氨反应热后送至锅炉，锅炉继续加热产生蒸汽送至透平驱动氮 氢气压缩机，透平出来的低压蒸汽经过冷凝回收为锅炉给水，吸收合成氨反应热后送回锅 炉。热力管网很长，公用工程投资费用高昂，且热损失很大。再次，本工艺使氨合成高压圈 范围大大缩小，驱动气轮机导致工艺气体的温度和压力都大幅下降，所以自气轮机后，都变 成了中、低压设备，设备投资和运行管理费用均大为节省。附图说明图1是本专利技术实施例工艺流程示意图；图2是本专利技术实施例压缩单元工艺流程示意图；图1中的标记分别为氨合成塔1，气轮机2，热交换器3，氨分离单元4，压缩单元 5，动力平衡单元6 ；图2中的标记分别为低压压缩机5. 1，高压压缩机5. 2，级间冷却器5. 3。 具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详述。一种氨的合成工艺如图1所示，包括氨 合成塔1，气轮机2，热交换器3，氨分离单元4，压缩单元5，动力平衡单元6。由合成氨的 前序工段提供符合要求的氮氢气(包括微量杂质气体，称为新鲜气)，与氨分离后的氮氢气 (称为循环气)混合进入压缩单元5进行多级压缩，继而进入热交换器3加热到工艺要求的 温度，最后进入氨合成塔1进一步加热，进行氨合成反应，并由于反应热的释放进一步提高 了气体的温度。由于合成反应是可逆的，出塔的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氨的合成工艺，包括氮氢气的压缩、氨合成和氨分离单元过程，其特征在于：从氨合成塔（１）出来的高温高压气体进入气轮机（２）获取膨胀功，同时降低温度和压力；从气轮机（２）出来的气体经过热交换器（３）冷却，降低温度并回收热量；经冷却后的气体进入氨分离单元（４）实现氨与氮氢气的分离；经氨分离后的氮氢气与新鲜氮氢气混合进入压缩单元（５）提高压力；经压缩达到压力要求的氮氢气经过热交换器（３）加热进入氨合成塔（１）进行氨合成，或经压缩达到压力要求的氮氢气直接进入氨合成塔（１）进行氨合成；上述从氨合成塔（１）出来的气体压力为１５Ｍｐａ～８０Ｍｐａ、温度为４００℃～６５０℃；从气轮机出来的气体，压力降至１．８Ｍｐａ～１０ＭＰａ，温度降至１５０℃～３００℃，之后进入热交换器冷却至４０℃～２５０℃，压力为１．７Ｍｐａ～９．９Ｍｐａ；经氨分离后的氮氢气压力为１．６Ｍｐａ～９．７ＭＰａ，温度为－５℃～６０℃；经过压缩单元（５）的氮氢气，压力提高到１５Ｍｐａ～８０ＭＰａ，温度为６０℃～２００℃。

【技术特征摘要】
一种氨的合成工艺，包括氮氢气的压缩、氨合成和氨分离单元过程，其特征在于从氨合成塔(1)出来的高温高压气体进入气轮机(2)获取膨胀功，同时降低温度和压力；从气轮机(2)出来的气体经过热交换器(3)冷却，降低温度并回收热量；经冷却后的气体进入氨分离单元(4)实现氨与氮氢气的分离；经氨分离后的氮氢气与新鲜氮氢气混合进入压缩单元(5)提高压力；经压缩达到压力要求的氮氢气经过热交换器(3)加热进入氨合成塔(1)进行氨合成，或经压缩达到压力要求的氮氢气直接进入氨合成塔(1)进行氨合成；上述从氨合成塔(1)出来的气体压力为15Mpa～80Mpa、温度为400℃～650℃；从气轮机出来的气体，压力降至1.8Mpa～10MPa，温度降至150℃～300℃，之后进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，胡明辅，别玉，宋鹏云，朱孝钦，常静华，毛文元，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]