制备氨的多压法制造技术

本发明专利技术涉及由合成气制备氨的方法，其中由合成气合成氨先后在不同的合成系统中进行，在所有合成系统中氨分别由一部分合成气形成并从中排出一部分，并且每个随后的合成系统具有比各自之前的合成系统更高的压力。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备氨的多压法本专利技术涉及根据反应式(1)在压力下由合成气制备氨NH3的方法，                                      (1)该合成气包括反应剂氢气H2和氮气N2，以及通常对反应(1)来说惰性的组分如甲烷和惰性气体，它们就反应的转化率来说阻碍反应，在下文中被称作“惰性物质”。这类方法通常这样运行，即首先经多步将新鲜的合成气压缩至高压，然后将该压缩的新鲜合成气输送到通过一个或多个填充催化剂的反应器(氨气在其中产生)运行的回路(Kreislauf)中。在回路中备有分离系统，借助于该系统将产生的氨从该回路中以液态取出。为了避免在回路中仅以低浓度溶解于取出的氨气中的惰性物质的富集，持续地取出一部分在回路中循环的气体作为吹扫气体。从取出的吹扫气体中清洗掉剩余的氨气，并且例如借助于薄膜技术或者低温分解分离出并回收包含的氢气，和可能的话还有氮气。剩余的惰性物质例如甲烷、氩气、氦气和如果有的话剩余的氮气被丢弃或者另外用于加热的目的。将该回收的气体在压缩前与新鲜的合成气混合，并以这样的方式使用。从回路中提取大量的吹扫气体在能量上是不利的，因为因此大量的气体在分离时经受压力损失，然后必须再次进行昂贵的重新压缩。出于该理由，必须容忍在新鲜合成气中初始为1至2体积％的惰性气体组分富集直至循环气体中的10至20体积％，虽然该高的惰性物质浓度必然导致参与反应的气体的分压(该分压独自作为该反应的驱动力对反应平衡的状态起决定性作用)明显低于无惰性物质存在的-->合成气体回路的缺陷。出于该理由，与合成气体回路中无惰性物质的相比，催化剂体积和包含其的反应器的尺寸同样必须明显增大。与其在新鲜气体中的初始含量相比，在回路中尽管所述缺陷但仍容忍了的惰性物质的富集表明了由以下事实产生的技术上的自相矛盾：在较少量吹扫气体和因此较高的惰性物质含量下操作成本特别是压缩成本降低，然而投资成本由于所需较高的催化剂体积或者所需更昂贵的催化剂品质(如钌基的催化剂)而升高。该技术上的自相矛盾根据常规的现有技术是不能解决的。因此本领域专业人员不得不达成妥协并借助于昂贵的操作成本核算和投资成本核算来寻找最佳成本。在合成时，在反应器中由合成气形成产物气体。该产物气体基本上由未反应的部分原料气体、形成的氨气和惰性物质组成。在反应器的出口处存在产生的气态氨。为了从产物气体中分离氨气，必须使该氨气冷凝，以此以液体的形式将其从该回路中取出。因为氨气的露点取决于其分压和温度，所以一方面较高的合成压力和高的氨气浓度以及另一方面低的温度有利于产物的冷凝。高的氨气浓度借助于高的催化剂体积以及低的惰性物质浓度来获得，较高的合成压力意味着合成气压缩需要相应的能量方面的成本，以及低的冷却温度的前提是用于循环气体的相应的冷却设备。为了能够借助于热转移系统、水或空气冷却和/或附加的冷却循环使在回路中产生的氨气被冷却以致其被冷凝并因此以液体取出，通常选择的合成-工作压力为150至280巴。这种相对高的压力具有这样的优势，即大量的氨气已经在相对高的温度，例如借助于水冷却(例如冷却至30至40℃)可以获得的温度下冷凝。例如在200巴的合成压力下对于20摩尔％的产物浓度露点约是57℃。通过水冷却至例如35℃使气体中的氨气含量下降直至11.2摩尔％，因此已经获得了59％的可冷凝的产物量。因为输送到反应器中的循环气体应具有尽可能低的氨气浓度，在此例中为3.8摩尔％，所以一般下游连接附加的水冷却的深冷循环以便用更低的温度(例如冷却至-10至0℃)将更多的产物冷凝出。该深冷循环需要用于蒸发的冷却剂再压缩的能-->量。在以前提及的高合成压力下必须借助于深冷冷凝的产物量很低，并且其需要相应少的用于冷却剂压缩机的能量。由上述事实可以清楚地看出为什么本领域专业人员倾向于如上所述将合成工作压力保持在150至280巴的范围中，但其中将合成压力降低直至60巴的例外情况同样是已知的。这样的实例描述在专利EP000 993、EP 093 502和EP 179 392中。因为在合成压力降低时，常规使用的磁铁矿催化剂的体积过度增大，并且因此对反应器的结构要求也提高，所以上述方法是以使用高活性催化剂为基础的。因此仍旧需要大量的钴掺杂的磁铁矿催化剂，并且钌催化剂由于其包含贵金属是相当昂贵的。合成压力越低，可借助于水或空气冷却散逸的热量越少，并且借助于深冷散逸的热量相应增大。因此当如通常那样考虑到深冷需要具有压缩单元的冷却循环时可以得出另一技术上的自相矛盾。在合成回路的压缩成本随合成压力的降低而降低的同时，冷却循环的压缩成本升高，因为需要更多的冷却来分离合成回路中产生的氨气。在低压方法中深冷之前的冷凝比例通过高流量的吹扫气体流设定的非常低的惰性物质的含量来提高。同高压合成中一样，出现惰性物质富集方面的难题，低的惰性物质含量提高了产物的浓度并因此提高了露点。这里本领域专业人员同样必须达成一种妥协，并借助于昂贵的操作成本核算和投资成本核算来寻找最佳成本。多年以来工业制备氨在大的单线设备中进行。该单线概念是在高压下操作的回路系统的高成本以及压缩过程的高成本的结果，这二者随流量的增大而大大递减。因此多年来技术上的偏见是仅在单线设备中可以经济地制备氨气。很少进行给这样的单线设备添加另一线的试验，这种试验例如描述在DD 225 029中。在该文献中描述了二个先后布置的在相同压力水平下的高压合成单元，其中第一个是新鲜气体合成和第二个是常规回路系统，并且其目的在于将在回路中产生的氨气的产量降低这么多的量，该量在前面连接的新鲜气体合成系统中产生，并且循环体积相-->应降低。然而该系统在20年内并没有在市场上实施，由此似乎也证实了仅单线设备是经济的技术上的偏见。此外，上述技术上的自相矛盾同样完全适合于在DD225 029中描述的反应系统。因此本专利技术的任务是克服上述缺陷，并提供一种经济地制备氨气的方法。本专利技术的任务是通过先后在不同的合成系统中由合成气合成氨气来解决的，其中在所有合成系统中氨分别由一部分合成气产生并从中排出一部分，并且每一随后的合成系统具有比各自之前的合成系统更高的压力。术语“合成系统”被理解为这样的反应系统，其包含反应器和用于分离产生的氨的设备。这里术语“更高的压力”被理解为超过了在合成系统内的压力损失的压差。在本专利技术的另一实施方案中，将第一合成系统作为新鲜气体系统操作。在本专利技术另一实施方案中，将除最后的合成系统外的所有合成系统作为新鲜气体系统操作。在本专利技术的另一实施方案中，将最后的合成系统作为回路系统操作。在本专利技术的又一实施方案中，每个合成系统通过至少一个压缩阶段与各自随后的合成系统分开。在本专利技术的又一实施方案中，从具有更高压力的合成系统中取出的吹扫气体流在分离和排出惰性气体组分、氨和可能的其它气体组分之后作为原料被输送到具有较低压力的合成系统中。在本专利技术的另一实施方案中，以这种方式增加吹扫气体流量，即在具有最高压力的系统中惰性物质的富集不大于10摩尔％。在本专利技术的另一实施方案中，在至少一个新鲜气体反应器中使用催化剂材料，该催化剂材料包含磁铁矿和用于低压合成系统的助催化剂。在本专利技术的又一实施方案中，在至少一个新鲜气体反应器中使用催化剂材料，该催化剂材料包含贵金属例如钌，并且是高活性的。-本文档来自技高网...

【技术保护点】
由新鲜的合成气制备氨的方法，该新鲜的合成气除反应剂氢气和氮气外还包括惰性组分，该方法在至少二个反应系统中进行，其中由合成气合成氨先后在不同的合成系统中进行，其中在所有合成系统中氨分别由一部分合成气形成并从中排出一部分，其特征在于每个随后的合成系统具有比各自之前的合成系统更高的压力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2000-11-21 10057863.21、由新鲜的合成气制备氨的方法，该新鲜的合成气除反应剂氢气和氮气外还包括惰性组分，该方法在至少二个反应系统中进行，其中由合成气合成氨先后在不同的合成系统中进行，其中在所有合成系统中氨分别由一部分合成气形成并从中排出一部分，其特征在于每个随后的合成系统具有比各自之前的合成系统更高的压力。2、权利要求1的方法，其特征在于，将第一合成系统作为新鲜气体系统操作。3、权利要求1或2的方法，其特征在于，除最后的合成系统外，所有的合成系统均作为新鲜气体系统操作。4、权利要求1至3之一项的方法，其特征在于，该最后的合成系统作为回路系统操作。5、权利要求1至4之一项的方法，其特征在于，每个合成系统通过至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：D利普曼，J斯坎德拉普拉森，
申请(专利权)人：犹德有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]