用于深冷纯化生产氨的设备和方法及相关的改造方法技术

一种从含有氢气和氮气的补充气合成氨的方法，所述方法包括：在前端工段(2)内产生含有摩尔比低于3的氢气和氮气的合成气(8)；进行第一深冷纯化，以去除氮气并提高所述摩尔比；在高压合成回路(6)内将合成气转化为氨(13)，从所述回路中提取含有氢气和惰性气体的净化流(14)；其中，将所述净化流(14)的至少一部分进行进一步的纯化以回收包含在其中的氢气的至少一部分，获得含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)，该回收的氢气的至少一个流被再循环到该方法中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于深冷纯化生产氨的设备和方法及相关的改造方法
本专利技术涉及用于生产氨的设备和方法，该生产氨包括用于合成气的深冷纯化的步骤。本专利技术还涉及改造具有深冷纯化的氨设备的方法。
技术介绍
氨的工业生产涉及在通常为约80巴至300巴的高压合成回路中的含有摩尔比为3:1的氢气和氮气的合成气(“补充气”)的催化反应。补充气通过烃原料(例如天然气)的转化，在合成回路上游的前端工段产生。例如在US3442613中描述的用于生产氨的已知技术包括两段转化，即一段转化和二段转化，二段转化是用过量空气以及随后的深冷纯化合成气来进行的。所述深冷纯化在-160℃左右的温度下进行，其目的是冷凝和去除合成气中含有的过量的氮气和惰性物质(主要是甲烷和氩气)。氮气和惰性物质通常被收集在废物流中，并且所述废物流例如作为用于一段转化反应器的燃烧器的燃料再循环，以利用其甲烷含量。该技术基本上基于用过量空气进行二段转化和通过深冷纯化去除所得到的过量的氮气(相对于所需的氢相关比)的原理。此外，过量的氮气有助于去除惰性物质。通常，深冷纯化之前是：将一氧化碳转化为CO2、去除CO2、任选地甲烷化、去除水和氨(例如通过分子筛)。所述技术具有许多得到确认的优点并用于世界各地的许多氨设备；然而，它仍然有许多缺点并因此有改进的余地。现有技术中的深冷纯化方法是基于自冷的原理，即通过气体自身的膨胀来提供深冷纯化器的冷却。更详细地，通常通过供给到纯化单元的气体的膨胀和通过上述废物流的膨胀来获得自冷。这产生了由于进料气体的压力损失而引起的缺点。所述压力损失增加了用于提高在合成回路中纯化的气体的压力的压缩机的消耗水平。现有技术的另一个限制是用于控制深冷纯化过程的唯一操作变量由前述的进料气体的膨胀来表示。所述膨胀的程度基本上由进料气体的过量的氮气，即由待去除的氮气的量决定。惰性物质的去除相应地发生，但不直接被控制。因此，现有技术在去除惰性物质方面并不完全有效。特别是氩气的分离是有问题的，因为氩气的低浓度及其接近于氮气的冷凝温度的冷凝温度。在与上述设备相关的现有技术中，氩气分离很少达到大于50％至60％的值。另一个缺点是由于损失包含在废物流中的一定量的残留氢气而产生的。如上所述，存在相当数量的上述类型的氨设备，其具有使用过量空气和深冷纯化的二段转化，因此人们对于改造所述设备的方法有很大的兴趣，特别是为了增加在生产氨的量方面的容量。迄今为止，用于改造这些设备的现有技术已经提出增加进入二段转化的空气流。事实上，这些设备的主要特征在于具有过量空气的二段转化，因此增加容量的尝试倾向于精确地增加进入二段转化的空气流。然而，这些方法需要对空气压缩机进行昂贵的修改以增加其流量。通常所述空气压缩机由燃气涡轮机驱动，并且在一些情况下还需要修改所述涡轮机，导致进一步的成本。或者，可以与现有压缩机并行安装第二空气压缩机，但是该解决方案也是昂贵的并且不是非常有吸引力，因为它需要新的机器和用于其安装的相关空间。改造措施的另一个问题是使设备的仪器以其最大容量运行，并且在这些条件下已经注意到惰性物质分离的性能相对于额定条件变差。例如在一些装置中已经发现，在改造的设备中，纯化气体(供给到合成回路中)中的甲烷含量可以从约3'000ppm的初始值增加到基本上更高的值如4'000ppm至5'000ppm。这对合成工段具有负面影响，导致在某些情况下需要安装另外的反应器或改造或更换合成气体压缩机。换言之，已经注意到深冷纯化单元形成了在设备中的相当大的瓶颈。改造这些设备的已知方法的另一个缺点是过量空气的显著增加通常需要仪器的适应和/或引入如压力损失增加和/或能量消耗增加的问题。因此，用于改造氨设备的上述现有技术的方法并不完全令人满意，并且从成本的角度来看会是几乎不具有吸引力。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的上述问题和限制。更详细地，本专利技术旨在提供包括深冷纯化步骤的用于生产氨的方法，其与现有技术相比允许：进料气体的较小压力损失、合成气压缩机的较高吸入压力及其较低的消耗、较高的氢气回收和惰性气体去除的效率、合成回路中减少的惰性物质循环、较少的过量空气需求。这些目的通过根据权利要求的从含有氢气和氮气的补充气进行氨合成的方法和设备来实现。特别地，根据本专利技术的方法包括以下步骤：在前端工段内产生含有摩尔比低于3的氢气和氮气的合成气；将所述合成气进行第一深冷纯化，用于去除氮气并将所述合成气的氢气/氮气摩尔比提高到预定值；将纯化的合成气压缩直至合成压力；在合成回路内将合成气转化为氨，从所述回路中提取含有氢气和惰性气体的净化流；通过适合于回收其中所含氢气的至少一部分，并产生含有回收的氢气的至少一个流和至少一个废物流的方法，将所述净化流的至少一部分进行第二纯化；将所述含有回收的氢气的至少一个流再循环到所述方法中，以增加氨产量。相比于为3的氢气/氮气摩尔化学计量比，来自前端工段的所述合成气含有优选等于至少25％、更优选至少35％、甚至更优选至少45％的过量的氮气。在优选的实施方式中，由前端工段产生的所述合成气不含碳氧化物。优选地，所述合成气的碳氧化物含量在ppm水平，更优选<10ppm。可以用甲烷化的步骤获得不含碳氧化物的合成气。例如，在前端工段产生合成气的合适方法包括：烃的转化、转换、二氧化碳的去除和甲烷化。所述第二纯化在净化气回收单元内进行，净化气回收单元以下简称为PGRU。废物流可以全部地或部分地经历第二纯化步骤。优选地，至少50％、更优选至少70％的净化流经历所述第二纯化步骤。优选地，从合成回路提取的净化流的所述第二纯化包括至少一个选自以下的工艺：深冷分离，其利用净化流的组分的不同挥发性，例如轻组分(如氢气)和重组分(如甲烷)；通过可渗透氢气且不可渗透惰性气体的膜的渗透；通过对氮气和惰性气体具有高亲和力并对氢气具有低亲和力的吸附材料的吸附。所述吸附材料优选通过变压吸附(PSA)运行。所述工艺本身是已知的，并不需要详细描述，而仅作为示例。除了用于将含氢气的流与废物流分离的单元之外，这些工艺中的每一者可需要用于预处理净化流的特定单元。所述预处理单元包括例如水洗柱、分子筛、冷却交换器或热交换器和冷凝分离器。本身已知的所述预处理单元将不再详细描述。在一些实施方式中，所述第二纯化通过深冷分离和/或通过膜的渗透的多级工艺进行，包括在不同压力下运行的多个级。对于多级工艺，这些级通常级联布置，从第一高压级到最后低压级。以这种方式，纯化会导致形成含有在不同压力下的回收的氢气的流，并且其可以在该工艺的不同级，即在设备的不同点处再循环。特别地，使用多级工艺，含有回收的氢气的所述流中的至少一个可以再循环到设备的压力高于第一深冷纯化的入口的点，优选地再循环到用于压缩合成气的第一级之后的一个级的入口。或者，含有回收的氢气的所述流中的至少一个可以在专用压缩机内被压缩。通过深冷分离来纯化净化流可以在深冷PGRU内进行，该深冷PGRU基本上包括含有至少一个多通道热交换器和气液分离器的冷箱。PGRU可以含有用于进行必要的自冷的装置，所述装置例如是用于进入气体、更优选地用于至少一个输出流、甚至更优选地用于输出废物流的涡轮机或膨胀阀。称为冷箱的单元通常包括至少一个气液分离器，例如深冷蒸馏塔(板式或填充式)或膜式塔。如果在深冷温度下的氮气(例如液氮)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从含有氢气和氮气的补充气合成氨的方法，所述方法包括以下步骤：在前端工段(2)内产生含有摩尔比低于3的氢气和氮气的合成气(8、9)；将所述合成气进行第一深冷纯化，所述第一深冷纯化适于去除氮气并将所述合成气的氢气/氮气摩尔比提高到预定值；将纯化的合成气(10)压缩至合成压力；在合成回路(6)内将合成气转化为氨(13)，从所述回路中提取含有氢气和惰性气体的净化流(14)；其特征在于：通过适合于回收包含在所述净化流中的氢气的至少一部分，并产生含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)和至少一个废物流(17)的工艺，进行所述净化流(14)的至少一部分的第二纯化，将所述含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)再循环到所述方法中，以增加氨产量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.23 EP 14199953.21.一种从含有氢气和氮气的补充气合成氨的方法，所述方法包括以下步骤：在前端工段(2)内产生含有摩尔比低于3的氢气和氮气的合成气(8、9)；将所述合成气进行第一深冷纯化，所述第一深冷纯化适于去除氮气并将所述合成气的氢气/氮气摩尔比提高到预定值；将纯化的合成气(10)压缩至合成压力；在合成回路(6)内将合成气转化为氨(13)，从所述回路中提取含有氢气和惰性气体的净化流(14)；其特征在于：通过适合于回收包含在所述净化流中的氢气的至少一部分，并产生含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)和至少一个废物流(17)的工艺，进行所述净化流(14)的至少一部分的第二纯化，将所述含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)再循环到所述方法中，以增加氨产量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于为3的氢气/氮气摩尔化学计量比，来自所述前端工段(2)的所述合成气(8、9)含有至少25％的过量的氮气。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少50％的所述净化流(14)经历所述第二纯化。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二纯化包括以下中的至少一者：深冷分离工艺；通过可渗透氢气且不可渗透所述惰性气体的膜的渗透工艺；使用对所述惰性气体具有高亲和力并对氢气具有低亲和力的材料的吸附工艺。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二纯化通过包括深冷分离或通过膜的渗透的多级工艺进行，所述多级工艺包括在不同压力下分别地运行的多个深冷分离级或渗透分离级，并得到在彼此不同的压力下的含有回收的氢气的多个流(15、15a、16、18)。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过直接供给(15、15a、16)至合成步骤和/或通过与进行所述第一深冷纯化步骤的气体流(8、9)合并(18)，将所述含有回收的氢气的至少一个流再循环。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自所述前端工段(2)的气体流(8、9)的一部分经历所述第一深冷纯化，并且所述气体流(8、9)的剩余部分(20)与从所述合成回路中提...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃尔曼诺·菲利皮，拉法埃莱·奥斯图尼，
申请(专利权)人：卡萨尔公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH