СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА И СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА Российский патент 2012 года по МПК C01C1/04 B01J8/04 

Настоящие варианты осуществления в основном относятся к синтезу аммиака. Более конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к извлечению тепла из потока, выходящего из конвертора для синтеза аммиака, для получения из него водяного пара.

Аммиак обычно получают из синтез-газа реакцией водорода и азота в присутствии катализатора в устройстве, которое обычно называют как конвертор аммиака (см., например, EP 0253350 A2). Идеальный синтез-газ для синтеза аммиака будет иметь молярное отношение 3 молей водорода к 1 молю азота. Конверсия синтез-газа дает насыщенный аммиаком выходной поток, который содержит аммиак и непрореагировавшие водород и азот.

Движущей силой синтеза аммиака является экзотермическая каталитическая реакция, при которой выделяется теплота. Температура аммиачного выходного потока типично варьирует от около 315°C до около 340°C, что пригодно для предварительного нагревания питательной воды для котла, но не для производства полноценного водяного пара. Как таковые, традиционные установки для получения аммиака по своей природе в энергетическом отношении являются непродуктивными.

Поэтому существует потребность в более эффективных системах и способах для утилизации теплоты, генерируемой в синтезе аммиака.

Согласно первому объекту настоящего изобретения создана система для получения аммиака, содержащая: конвертор, включающий: первую оболочку, имеющую два или более отдельных слоев катализатора, размещенных в ней; вторую оболочку, расположенную вокруг первой оболочки; и проточный канал, размещенный внутри первой оболочки, причем два или более отдельных слоев катализатора внутри первой оболочки размещены вокруг проточного канала; первый теплообменник, расположенный снаружи конвертора и находящийся в сообщении по текучей среде с первой оболочкой; и второй теплообменник, расположенный снаружи конвертора и находящийся в сообщении по текучей среде со второй оболочкой.

Предпочтительно, первая и вторая оболочки являются концентрическими относительно друг друга.

Предпочтительно, первая оболочка, вторая оболочка и проточный канал являются концентрическими относительно друг друга.

Предпочтительно, каждая из первой оболочки и второй оболочки включает первую секцию и вторую секцию, причем первая секция имеет большее поперечное сечение, чем поперечное сечение второй секции.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана система для получения аммиака, содержащая: первый вмещающий объем, расположенный внутри второго вмещающего объема; два или более отдельных слоев катализатора, расположенных внутри первого вмещающего объема; проточный канал, по меньшей мере частично расположенный внутри первого вмещающего объема, причем проточный канал и первый вмещающий объем образуют кольцевой зазор между собой; первый теплообменник, расположенный снаружи первого и второго вмещающих объемов; второй теплообменник, расположенный снаружи первого и второго вмещающих объемов, причем проточный канал находится в сообщении по текучей среде с первым вмещающим объемом на первом своем конце и в сообщении по текучей среде с первым теплообменником на втором своем конце, и второй теплообменник находится в сообщении по текучей среде со вторым вмещающим объемом.

Предпочтительно, первый вмещающий объем и второй вмещающий объем являются концентрическими относительно друг друга.

Предпочтительно, первый вмещающий объем, второй вмещающий объем и проточный канал являются концентрическими относительно друг друга.

Предпочтительно, каждый из первого вмещающего объема и второго вмещающего объема содержит первую секцию и вторую секцию, причем первая секция имеет большее поперечное сечение, чем поперечное сечение второй секции.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан способ получения аммиака, содержащий этапы, на которых: распределяют подаваемый газ, содержащий азот и водород, в конвертор аммиака, причем конвертор содержит: первую оболочку, имеющую два или более отдельных слоев катализатора, размещенных в ней; вторую оболочку, расположенную вокруг первой оболочки; первый теплообменник, расположенный снаружи первой оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней; второй теплообменник, расположенный снаружи второй оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней; и проточный канал, расположенный внутри первой оболочки, причем два или более отдельных слоев катализатора внутри первой оболочки размещены вокруг проточного канала, причем первую часть подаваемого газа вводят в первую оболочку, и вторую часть подаваемого газа вводят во вторую оболочку; обеспечивают реакцию первой части подаваемого газа в присутствии катализатора для получения аммиачного выходного потока; обеспечивают передачу по меньшей мере части теплоты реакции из аммиачного выходного потока для получения пара внутри первого теплообменника; обеспечивают передачу по меньшей мере части теплоты реакции от аммиачного выходного потока второй части подаваемого газа внутри второго теплообменника; вводят нагретую вторую часть подаваемого газа в первую оболочку; и обеспечивают реакцию нагретой второй части подаваемого газа в присутствии катализатора.

Предпочтительно, пар имеет давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа.

Предпочтительно, аммиачный выходной поток имеет температуру от около 440°C до около 465°C.

Предпочтительно, аммиачный выходной поток имеет давление от около 13500 кПа до около 19000 кПа.

Предпочтительно, аммиачный выходной поток охлаждают во втором теплообменнике до температуры от около 335°C до около 385°C.

Предпочтительно, первая часть составляет от около 40 объемных процентов до около 52 объемных процентов подаваемого газа.

Предпочтительно, вторая часть внутри второй оболочки имеет температуру от около 120°C до около 160°C.

Предпочтительно, катализатор включает магнетит, один или более металлов платиновой группы, их производные или комбинации.

Предпочтительно, от около 45 объемных процентов до около 55 объемных процентов аммиачного выходного потока используют для нагревания второй части подаваемого газа.

Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан способ модернизации системы для получения аммиака, причем система включает конвертор аммиака, имеющий внутреннее обменное устройство для нагревания аммиачного подаваемого газа, обменное устройство для передачи теплоты от аммиачного продукта потоку технологических отходов, причем способ содержит этапы, на которых: удаляют внутреннее обменное устройство из конвертора; обеспечивают колпак, внутри которого размещен теплообменник; соединяют внутреннюю оболочку колпака с внутренней оболочкой конвертора аммиака; соединяют наружную оболочку колпака с наружной оболочкой конвертора аммиака; обеспечивают проточный канал наружу колпака; передают теплоту от аммиачного продукта для получения пара высокого давления внутри первого теплообменника, размещенного снаружи конвертора; передают теплоту от аммиачного продукта аммиачному подаваемому газу внутри второго теплообменника, размещенного снаружи конвертора; и возвращают нагретый аммиачный подаваемый газ в конвертор.

Предпочтительно, пар высокого давления имеет давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа.

Предпочтительно, аммиачный продукт имеет температуру от около 440°C до около 465°C.

В таком стиле, в каком вышеназванные признаки настоящего изобретения могут быть поняты в деталях, более конкретное описание изобретения, вкратце обобщенное выше, может быть приведено со ссылкой на варианты осуществления, некоторые из которых иллюстрированы в сопроводительных чертежах. Однако следует отметить, что сопроводительные чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления настоящего изобретения и поэтому не должны трактоваться как ограничивающие его объем, так как изобретение допускает прочие, равным образом эффективные варианты осуществления. На чертежах:

Фиг.1 - вид частичного поперечного сечения иллюстративной системы конверсии аммиака, согласно одному или более из описываемых вариантов осуществления;

Фиг.2 - схематический вид примера системы для получения аммиака, согласно одному или более из описываемых вариантов осуществления; и

Фиг.3 - схематический вид еще одного примера системы для получения аммиака, согласно одному или более из описываемых вариантов осуществления.

Теперь будет приведено подробное описание. Каждый из прилагаемых пунктов формулы изобретения определяет отдельное изобретение, которое во избежание несоблюдения патентных прав рассматривается как включающее эквиваленты разнообразных элементов или ограничений, обозначенных в пунктах формулы изобретения. В зависимости от контекста, все приведенные ниже ссылки на «изобретение» в некоторых случаях могут иметь отношение только к определенным конкретным вариантам осуществления. В других случаях будет понятно, что ссылки на «изобретение» будут относиться к предмету изобретения, изложенному в одном или нескольких, но не обязательно всех, из пунктов формулы изобретения. Каждое из изобретений теперь будет более подробно описано ниже, включая конкретные варианты осуществления, варианты и примеры, но изобретения не ограничиваются этими вариантами осуществления, вариантами или примерами, которые включены, чтобы позволить специалисту, имеющему обычную квалификацию в этой области техники, реализовать и использовать изобретения, когда информация в этом патенте сочетается с доступной информацией и технологией.

Представлены системы и способы получения аммиака. По меньшей мере в одном конкретном варианте осуществления подаваемый газ, содержащий азот и водород, может быть пропорционально распределен в конвертор аммиака. Конвертор аммиака может включать первую оболочку, имеющую два или более расположенных в таковом отдельных слоя катализатора, вторую оболочку, расположенную вокруг первой оболочки, первый теплообменник, размещенный снаружи первой оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней, второй теплообменник, размещенный снаружи второй оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней, и проточный канал, расположенный внутри первой оболочки. Два или более отдельных слоя катализатора внутри первой оболочки могут быть расположены вокруг проточного канала. Первая часть подаваемого газа может быть введена в первую оболочку, и вторая часть подаваемого газа может быть введена во вторую оболочку. Первая часть подаваемого газа может реагировать в присутствии катализатора с образованием аммиачного выходного потока. По меньшей мере часть теплоты реакции из аммиачного выходного потока может быть подвергнута теплообмену для получения водяного пара внутри первого теплообменника. По меньшей мере часть теплоты реакции из аммиачного выходного потока может быть подвергнута теплообмену со второй частью подаваемого газа внутри второго теплообменника. Нагретая вторая часть подаваемого газа может быть подана в первую оболочку. Нагретая вторая часть подаваемого газа может быть введена во вторую оболочку. Нагретая вторая часть подаваемого газа может быть введена в реакцию в присутствии катализатора.

Фиг.1 изображает вид частичного поперечного сечения иллюстративной системы конверсии аммиака согласно одному или более вариантам осуществления. В одном или более вариантах осуществления система конверсии аммиака может включать один или более реакторов, или конверторов 100 аммиака, и два или более наружных теплообменников (два показаны как 104, 168) в сообщении по текучей среде с ними. Каждый конвертор 100 может включать первую оболочку 108, или первый вмещающий объем, вторую оболочку 106, или второй вмещающий объем, колпак 110, одно или более соединений, или патрубков (показаны как 112, 114, 120, 160), и один или более трубопроводов, или проточных каналов (показаны два с номерами позиций 122, 124). Наружная оболочка 106 («оболочка каталитического конвертора») может включать первый конец 126 или крышку, и второй конец 128 или крышку. Внутренняя оболочка 108 («корзина») может включать первый конец 130 или крышку, второй конец 132 или крышку и один или более отдельных слоев катализатора (четыре показаны как 134, 136, 138, 140), расположенных внутри внутренней оболочки 108.

Колпак 110 может включать наружную оболочку 142, которая может соединяться с первым концом 126 наружной оболочки 106. Колпак 110 также может включать внутреннюю оболочку 144, которая может соединяться с первым концом 130 внутренней оболочки 108. Часть трубопровода или канал 124 для потока может быть расположена внутри колпака 110 или проходить через него. Трубопровод или канал 124 для потока может находиться в сообщении по текучей среде с соединением («выпускным патрубком») 160, расположенным на колпаке 110.

Первый теплообменник 168 может быть в сообщении по текучей среде с первой оболочкой 108 через канал 124 для потока. Первый теплообменник 168 может представлять собой или включать любую систему или устройство, пригодное для косвенного переноса теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде. Например, первый теплообменник 168 может представлять собой или содержать один или более теплообменников, кожухотрубные теплообменники, пластинчатые теплообменники, спиральные теплообменники, теплообменники с U-образными трубами и/или теплообменники байонетного типа. В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток через линию 166 может быть введен в первый теплообменник 168 и выведен по линии 170. В одном или более вариантах осуществления теплопередающая среда может быть введена в первый теплообменник 168 по линии 172 и выведена по линии 174. Теплопередающая среда может представлять собой или включать конденсат, питающую воду для котла ("BFW"), (водяной) пар низкого давления ("LP") и/или (водяной) пар среднего давления ("МР"). Пар может быть выведен из первого теплообменника 168 по линии 174.

В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток в линии 166 может иметь температуру, достаточную для генерирования пара высокого давления. Пар высокого давления может иметь давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа. В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток в линии 166 может иметь температуру, достаточную для генерирования перегретого водяного пара среднего давления. В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток может иметь температуру около 350°C или более. В одном или более вариантах осуществления температура аммиачного выходного потока может варьировать от низкой температуры около 430°C, около 440°C или около 445°C до высокой около 460°C, около 465°C или около 470°C. Например, аммиачный выходной поток может иметь температуру от около 450°C до около 455°C или более.

Охлажденный аммиачный выходной поток может быть выведен из первого теплообменника 168 по линии 170. В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток может быть охлажден до температуры менее 400°C, менее 395°C или менее 390°C. В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток может быть охлажден до температуры от около 335°C до около 385°C, от около 335°C до около 370°C или от около 380°C до около 385°C.

В одном и более вариантах осуществления текучая среда («подаваемый газ») может быть введена в аммиачный конвертор 100. Подаваемый газ может включать водород (H₂) и азот (N₂). Подаваемый газ может быть пропорционально распределен на две или более частей. Например, подаваемый газ может быть пропорционально распределен на первую часть и вторую часть. Первая часть может быть введена по одному или более трубопроводам («впуска») 122. В одном или более вариантах осуществления доля первой части, подводимой через впуски 122, может варьировать от низкой около 30 объемных процентов, около 35 объемных процентов или около 40 объемных процентов до высокой около 50 объемных процентов, около 55 объемных процентов или около 60 объемных процентов поступающего подаваемого газа. Например, первая часть, подводимая через впуски 122, может составлять от около 40 объемных процентов до около 52 объемных процентов от около 38 объемных процентов до около 54 объемных процентов или от около 36 объемных процентов до около 56 объемных процентов поступающего подаваемого газа. Вторая часть может быть введена через соединение («впуск») 112. В одном или более вариантах осуществления вторая часть, подводимая через впуск 112, может варьироваться от меньшей доли около 40 объемных процентов, около 45 объемных процентов или около 50 объемных процентов, до большей доли около 60 объемных процентов, около 65 объемных процентов или около 70 объемных процентов поступающего подаваемого газа. Например, вторая часть, подводимая через впуск 112, может составлять от около 48 объемных процентов до около 60 объемных процентов, от около 46 объемных процентов до около 62 объемных процентов или от около 44 объемных процентов до около 64 объемных процентов поступающего подаваемого газа.

В одном или более вариантах осуществления вторая часть может быть введена через впуск 112 и может протекать между наружной оболочкой 106 и внутренней оболочкой 108 до соединения или выпуска 114. Первая оболочка 108 может образовывать кольцевой зазор между первой оболочкой 108 и второй оболочкой 106, через который может протекать вторая часть. В одном или более вариантах осуществления вторая часть может охлаждать или иным образом регулировать температуру наружной оболочки 106. Например, вторая часть может регулировать температуру наружной оболочки 106 в диапазоне от низкой около 120°C, около 125°C или около 130°C до высокой около 150°C, около 155°C или около 160°C. Регулирование температуры наружной оболочки 106 на уровне менее чем около 160°C может обеспечить возможность изготовления наружной оболочки 108 из материалов с более низкой стоимостью, таких как углеродистая сталь.

Второй теплообменник 104 может быть в сообщении по текучей среде с первой оболочкой 108 и второй оболочкой 106 через линии 118 и 116 соответственно. Второй теплообменник 104 может представлять собой или включать любую систему или устройство, пригодное для косвенного переноса теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде. Например, второй теплообменник 104 может представлять собой или содержать один или более кожухотрубных теплообменников, пластинчатых теплообменников, спиральных теплообменников, теплообменников с U-образными трубами и/или теплообменников байонетного типа. В одном или более вариантах осуществления вторая часть может быть введена во второй наружный теплообменник 104 по линии 116. Теплота может быть косвенно передана второй части через теплопередающую среду, вводимую в теплообменник 104 по линии 162, для получения нагретой второй части через линию 118. В одном или более вариантах теплопередающая среда может представлять собой, но не ограничивается таковой, по меньшей мере часть аммиачного выходного потока ниже по потоку из конвертора 100. Теплопередающая среда, вводимая в теплообменник 104 по линии 162, может быть выведена по линии 164.

В одном или более вариантах осуществления нагретая вторая часть в линию 118 может быть введена в первую оболочку 108 через соединение («впуск») 120. Нагретая вторая часть может протекать через кольцевой зазор, определяемый каналом 124 для потока и внутренней оболочкой 144 колпака 110, к одному или более слоям 134, 136, 138, 140 катализатора, размещенным внутри первой оболочки 108. По меньшей мере часть нагретой второй части, например, водород и азот, может быть преобразована с образованием аммиачного выходного потока. Вторая часть может быть преобразована или введена в реакцию в присутствии одного или более катализаторов, размещенных внутри слоев 134, 136, 138, 140 катализатора, с образованием аммиачного выходного потока. После протекания через один или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора аммиачный выходной поток может быть выведен через канал 124 для потока.

В одном или более вариантах осуществления первая часть может быть введена в один или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора, размещенных внутри внутренней оболочки 108. Первая часть может быть распределена на два или более слоя 134, 136, 138, 140 катализатора через одиночный трубопровод 122 или многочисленные трубопроводы (не показаны). Первая часть может быть распределена поровну или неодинаково на два или более слоя 134, 136, 138, 140 катализатора.

В одном или более вариантах осуществления первая часть может действовать как регулятор температуры, который может понижать или поддерживать желательную реакционную температуру слоев 134, 136, 138, 140 катализатора. Величина расхода потока первой части, вводимой в любой конкретный слой катализатора, может быть вручную или автоматически скорректирована для соответствия оптимальному значению расхода потока для этого конкретного слоя катализатора. В одном или более вариантах осуществления нагретая вторая часть и первая часть могут быть смешаны или иным образом объединены внутри слоев 134, 136, 138, 140 катализатора как поток первой и второй части через слои катализатора для образования аммиачного выходного потока. В одном или более вариантах осуществления нагретая вторая часть и первая часть могут быть подвергнуты косвенному теплообмену с помощью одного или более внутренних теплообменников (не показаны) внутри конвертора 100. Первая часть и вторая часть затем могут быть смешаны или иным образом объединены внутри одного или более слоев катализатора. Аммиачный выходной поток может быть выведен из внутренней оболочки 108 через канал 124 для потока.

В одном или более вариантах осуществления первая часть может быть введена по трубопроводу 122 в первый слой 134 катализатора при температуре и/или величине расхода потока, достаточных для поддерживания первого слоя 134 катализатора при температуре, варьирующей от низкой около 340°C, около 350°C или около 360°C до высокой около 380°C, около 390°C или около 400°C. В одном или более вариантах осуществления первая часть может быть введена по трубопроводу 122 во второй слой 136 катализатора при температуре и/или величине расхода потока, достаточных для поддерживания второго слоя 136 катализатора при температуре, варьирующей от низкой около 350°C, около 360°C или около 370°C до высокой около 390°C, около 400°C или около 410°C. В одном или более вариантах осуществления первая часть может быть введена по трубопроводу 122 в третий слой 138 катализатора при температуре и/или величине расхода потока, достаточных для поддерживания третьего слоя 138 катализатора при температуре, варьирующей от низкой около 360°C, около 370°C или около 380°C до высокой около 400°C, около 410°C или около 420°C. В одном или более вариантах осуществления первая часть может быть введена по трубопроводу 122 в четвертый слой 140 катализатора при температуре и/или величине расхода потока, достаточных для поддерживания четвертого слоя 140 катализатора при температуре, варьирующей от низкой около 370°C, около 380°C или около 390°C до высокой около 400°C, около 410°C или около 420°C.

В одном или более вариантах осуществления первая оболочка 108, или первый вмещающий объем, и вторая оболочка 106, или второй вмещающий объем, могут быть концентрическими относительно друг друга. В одном или более вариантах осуществления первая оболочка 108, или первый вмещающий объем, вторая оболочка 106, или второй вмещающий объем, и канал 124 для потока могут быть концентрическими относительно друг друга. Первая оболочка 108, или первый вмещающий объем, и вторая оболочка 106, или второй вмещающий объем, могут включать первую секцию и вторую секцию. Первая секция может иметь большее поперечное сечение, чем поперечное сечение второй секции. Например, наружная оболочка 142 колпака 110 может иметь меньшее поперечное сечение, чем наружная оболочка 106. Внутренняя оболочка 144 колпака 110 может иметь меньшее поперечное сечение, чем внутренняя оболочка 108.

В одном или более вариантах осуществления один или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора могут представлять собой, но не ограничиваются таковыми, аксиальные слои, аксиально-радиальные слои, радиальные слои или любую комбинацию таковых. В одном или более вариантах осуществления один или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора могут быть охлаждаемыми холодным газом, с промежуточным охлаждением при использовании одного или более теплообменников и с применением комбинации таковых для контроля или иным образом регулирования температуры одного или более слоев катализатора. Катализатор, размещенный внутри одного или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора, может представлять собой или включать магнетитовый катализатор. Катализатор может представлять собой или включать катализатор на основе благородных металлов, например катализатор на основе рутения, такой как катализатор КААР на основе рутения от фирмы Kellogg, Brown and Root. Каждый слой 134, 136, 138, 140 катализатора может включать одинаковый катализатор или различный катализатор. Каждый слой 134, 136, 138, 140 катализатора может содержать два или более различных катализатора.

Энергетический выход процесса получения аммиака может зависеть от разнообразных факторов, таких как дополнительный второй конвертор аммиака, и других конкретных параметров установки, таких как конструкция установки выше по потоку или на начальной стадии. Здесь энергетический выход установки для получения аммиака в пределах границ технологической установки ("ISBL") может быть повышен на величину от около 0,18 Гкал/МТ до около 0,3 Гкал/МТ (метрическую тонну). Второй теплообменник 104 может нагревать вторую часть ниже по потоку относительно первоначального охлаждения аммиачного выходного потока в первом теплообменнике 168. Остаточная теплота аммиачного выходного потока после генерирования, например (водяного) пара высокого давления, может быть достаточной для предварительного нагревания второй части до температуры, достаточной для реагирования внутри одного или более слоев 124, 136, 138, 140 катализатора для получения аммиачного выходного потока через линию 166. Например, вторая часть может быть нагрета до температуры, варьирующей от низкой около 340°C, около 350°C или около 360°C до высокой около 380°C, около 390°C или около 400°C.

В одном или более вариантах осуществления существующий конвертор аммиака может быть модифицирован или модернизирован для создания конструктивной конфигурации и достижения повышенной эффективности, обсужденной и описанной выше. Например, теплота, отводимая из аммиачного выходного потока, может быть использована для генерирования полноценного (водяного) пара высокого давления и/или перегретого (водяного) пара среднего давления. Конвертор аммиака, имеющий кожухотрубный теплообменник, размещенный в верхнем колпаке конвертора, может быть модернизирован согласно одному или более описываемым вариантам осуществления. Конвертор аммиака с теплообменником, то есть кожухотрубным, размещенным внутри колпака 110, ограничивает количество теплоты, отводимой из процесса. Поэтому температура аммиачного выходного потока, выводимого через линию 166, недостаточна для получения пара высокого давления. Например, в компоновке, имеющей кожухотрубный теплообменник, размещенный внутри колпака 110, температура аммиачного выходного потока, выходящего из конвертора 100 аммиака, обычно будет составлять от около 315°C до около 340°C, что недостаточно для получения пара высокого давления и/или перегретого пара среднего давления. Технологическое тепло, генерируемое внутри конвертора аммиака, обычно используют для предварительного нагревания питательной воды для котла (BWF) или генерирования пара среднего давления, который является менее желательным и менее ценным, чем пар высокого давления.

В одном или более вариантах осуществления колпак может быть снят с существующего конвертора аммиака и заменен на новый или модифицированный колпак для соответствия измененной конструкции колпака 110, обсужденной и описанной выше, который обеспечивает проточный канал для второй части скорее в наружный теплообменник, нежели во внутренний теплообменник внутри колпака 110. Существующий конвертор 100 аммиака, модифицированный включением колпака 110, как обсуждено и описано выше, может быть способным регулировать перепад давлений, который может иметь место внутри конвертора аммиака с современной конструкцией. Поэтому модификация может быть выполнена удалением и либо выбрасыванием, либо модифицированием старого колпака. Старый внутренний кожухотрубный теплообменник может быть удален и выброшен, и может быть установлен новый или модифицированный колпак 110. Размеры выпусков 114, 160 и впусков 112, 120, 122 могут быть приведены в соответствие с конкретными технологическими условиями. Выпуск 160 может быть в сообщении по текучей среде с каналом 124 для потока, проходящим сквозь или иным образом вдоль слоев 134, 136, 138, 140 катализатора. Внутренняя оболочка 144 колпака 110 может быть присоединена к внутренней оболочке 108 конвертора 100 аммиака, и наружная оболочка 142 колпака может быть присоединена к наружной оболочке 106 конвертора 100 аммиака.

Фиг.2 схематически изображает иллюстративную систему получения аммиака согласно одному или более вариантам осуществления. В одном или более вариантах осуществления система может включать конвертор 100 аммиака и один или более теплообменников (показаны пять с номерами позиций 104, 168, 202, 204, 206). Система далее может включать один или более пусковых нагревателей 210. В одном или более вариантах осуществления конвертор 100 аммиака и теплообменники 104 и 168 могут быть такими же, как обсужденные и описанные выше с привлечением фиг.1.

В одном или более вариантах осуществления подаваемый газ, который может быть таким же, как обсужденный и описанный выше с привлечением фиг.1, по линии 212 может быть введен в предварительный нагреватель или теплообменник 202 для получения предварительно нагретого подаваемого потока. Предварительно нагретый подаваемый газ может быть выведен через линию 214. В одном или более вариантах осуществления предварительно нагретый подаваемый газ в линии 214 может иметь температуру, варьирующую от низкой около 120°C, около 125°C или около 130°C до высокой около 150°C, около 155°C или около 160°C. Например, предварительно нагретый подаваемый газ в линии 214 может иметь температуру около 141°C. В одном или более вариантах осуществления предварительно нагретый подаваемый газ в линии 214 может иметь давление, варьирующее от низкого около 12500 кПа, около 13000 кПа или около 13500 кПа до высокого около 18500 кПа, около 19000 кПа или около 19500 кПа. Во время пуска установки по меньшей мере часть подаваемого газа, подводимого по линии 216, может быть введена в один или более пусковых нагревателей 210 для получения предварительно нагретого подаваемого газа, подводимого по линии 218, при температуре, достаточной для инициирования пуска конвертора 100 аммиака. Предварительно нагретый подаваемый газ в линии 218 может быть введен через линию 122 во внутреннюю оболочку 108, расположенную внутри наружной оболочки 106 (смотри фиг.1).

В одном или более вариантах осуществления предварительный нагреватель 210 может представлять собой или включать любое устройство, пригодное для нагревания по меньшей мере части подаваемого газа до надлежащей температуры, чтобы начать запуск конвертора 100 аммиака. Например, предварительный нагреватель может представлять собой топочное печное устройство или нагреватель. В одном или более вариантах осуществления предварительно нагретый подаваемый газ в линии 218 может быть нагрет до температуры от низкой около 300°C, около 330°C или около 360°C до высокой температуры около 380°C, 400°C или около 420°C.

В одном или более вариантах осуществления во время нормальной работы подаваемый газ в линии 214 может быть пропущен мимо предварительного нагревателя 210. Подаваемый газ в линии 214 может быть распределен на первую часть через линию 222 и вторую часть через линию 220. Вторая часть может быть введена в кольцевой зазор, расположенный между внутренней оболочкой 108 и наружной оболочкой 106 (смотри фиг.1) конвертора 100 аммиака. Первая часть в линии 222 может быть введена во внутреннюю оболочку 108 через одну или более линий 122 (показаны четыре).

Аммиачный выходной поток, выводимый по линии 166, может быть подвергнут косвенному охлаждению в теплообменнике 168 с использованием теплопередающей среды, как обсуждено и описано выше с привлечением фиг.1. Теплопередающая среда, например питательная вода для котла (BFW), может быть введена по линии 172, и (водяной) пар высокого давления может быть выведен через линию 174. Аммиачный выходной поток может быть выведен по линии 170.

В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток для установки с производительностью 1100 MTPD (метрических тонн в день) может иметь температуру выше 350°C, например, от около 450°C до около 455°C, и давление около 14600 кПа. Тепловая нагрузка установки с производительностью 1100 MTPD, которая может быть непосредственно передана от аммиачного выходного потока в питающую воду для котла в теплообменнике 168 у может составлять около 14,5 Гкал/час. Пар высокого давления может иметь давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа. Охлажденный аммиачный выходной поток может быть выведен из теплообменника 168 через линию 170. Аммиачный выходной поток может быть охлажден до температуры от около 335°C до около 385°C, от около 335°C до около 370°C или от около 380°C до около 385°C.

В одном или более вариантах осуществления выведенный аммиачный выходной поток в линии 166 может быть распределен на первую часть через линию 162 и вторую часть через линию 228. В одном или более вариантах осуществления доля первой части аммиачного выходного потока в линии 162 может варьироваться от низкой около 35 объемных процентов, около 40 объемных процентов или около 45 объемных процентов до высокой около 50 объемных процентов, около 55 объемных процентов или около 60 объемных процентов общего аммиачного выходного потока в линии 170. В одном или более вариантах осуществления вторая часть аммиачного выходного потока в линии 228 может составлять остальное количество общего аммиачного выходного потока в линии 170.

В одном или более вариантах осуществления первая часть аммиачного выходного потока через линию 162 может быть введена в теплообменник 104, в котором теплота может быть косвенно передана от первой части аммиачного выходного потока ко второй части подаваемого газа, вводимого через линию 116, для получения предварительно нагретой второй части через линию 118. Предварительно нагретая вторая часть через линию 118 может быть введена в один или более слоев 134, 136, 138, 140 катализатора внутри внутренней оболочки 108, как обсуждено и описано выше с привлечением фиг.1. Первая часть аммиачного выходного потока, введенная через линию 162 в теплообменник 104, может быть выведена по линии 164.

В одном или более вариантах осуществления вторая часть аммиачного выходного потока через линию 228 может быть введена в теплообменник 204. Теплота может быть косвенно передана от второй части аммиачного выходного потока теплопередающей среде, например питательной воде для котла (BFW), вводимой через линию 230, для получения (водяного) пара через линию 232. Пар, полученный в линии 232, может представлять собой (водяной) пар низкого давления, (водяной) пар среднего давления, перегретый (водяной) пар среднего давления или (водяной) пар высокого давления. Вторая часть аммиачного выходного потока может быть выведена через линию 234. Например, установка с производительностью 1100 MTPD может утилизировать около 4,6 Гкал/час тепловой нагрузки от второй части аммиачного выходного потока. В одном или более вариантах осуществления отводимая тепловая нагрузка может варьировать в зависимости от габаритов и производительности установки.

В одном или более вариантах осуществления около 60% технологического отбросного тепла, доступного из аммиачного выходного потока, может быть извлечено в виде пара высокого давления через линии 174 и 232. В одном или более вариантах осуществления доля технологического отбросного тепла, отведенного из аммиачного выходного потока, использованного для получения пара высокого давления и/или перегретого пара среднего давления, может варьировать от низкой около 10%, около 20%, около 30% или около 40% до высокой около 50%, около 60%, около 65% или около 70%. В одном или более вариантах осуществления оставшееся отбросное тепло может быть утилизировано для предварительного нагревания питательной воды для котла (BFW) или для получения пара более низких сортов, такого как пар низкого давления или пар среднего давления.

Вторая часть аммиачного выходного потока в линии 234 может быть введена в теплообменник 206. Теплота может быть передана от второй части аммиачного выходного потока теплопередающей среде, например питательной воде для котла (BFW), вводимой в теплообменник 206 через линию 236. Теплообменник 206 может предварительно нагревать питательную воду для котла (BFW), которая может быть выведена через линию 238. Вторая часть аммиачного выходного потока может быть выведена из предварительного нагревателя 206 питательной воды для котла (BFW) через линию 240.

В одном или более вариантах осуществления первая часть аммиачного выходного потока через линию 164 может быть смешана со второй частью аммиачного выходного потока в линии 240 для получения смешанного или иным образом воссоединенного аммиачного выходного потока в линии 242. Аммиачный выходной поток в линии 242 может быть введен в предварительный нагреватель 202. Теплота из аммиачного выходного потока может быть косвенно передана подаваемому газу, поступающему через линию 212 в предварительный нагреватель 202.

В одном или более вариантах осуществления охлажденный аммиачный выходной поток может быть выведен из предварительного нагревателя 202 через линию 244 и обработан далее ниже по потоку. Охлажденный аммиачный выходной поток в линии 244 может быть разделен для получения аммиачного продукта и подаваемого материала для повторного использования. В одном или более вариантах осуществления охлажденный аммиачный выходной поток в линии 244 может быть еще более охлажден перед разделением на аммиачный продукт и сырьевой материал для повторного использования. Хотя это и не показано, подаваемый газ для повторного использования может быть вовлечен в рециркуляцию по линии 212, который может быть введен в конвертор 100 аммиака для преобразования в аммиак в дополнение к пополняемому подаваемому газу. Пополнение синтез-газа может представлять собой свежий синтез-газ или другой подаваемый газ, содержащий водород и азот, пригодный для синтеза аммиака.

В одном или более вариантах осуществления теплообменники 202, 204 и 206 могут представлять собой или включать любую систему или устройство, пригодные для косвенной передачи теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде. Например, теплообменники могут представлять собой или включать один или более из: кожухотрубные теплообменники, пластинчатые теплообменники, спиральные теплообменники, теплообменники с U-образными трубами и/или теплообменники байонетного типа. Теплообменники могут быть подобраны по габаритам и изготовлены согласно технологическим условиям установки.

Фиг.3 схематически изображает еще одну показательную систему для получения аммиака, согласно одному или более описываемым вариантам осуществления. В одном или более вариантах осуществления система для получения аммиака может быть такой же, как обсуждено и описано выше с привлечением фиг.1 и 2. Система для получения аммиака может включать один или более вторичных конверторов 300 аммиака. В одном или более вариантах осуществления выведенный аммиачный выходной поток через линию 170 может быть введен в один или более вторичных конверторов 300 аммиака (показан один). Вторичный конвертор 300 аммиака может преобразовывать непрореагировавшие водород и азот в выведенном аммиачном выходном потоке для получения дополнительного аммиака.

Температура аммиачного выходного потока, вводимого через линию 170 во вторичный конвертор 300 аммиака, может зависеть от конкретной конструкции вторичного конвертора 300 аммиака. Температура аммиачного выходного потока, вводимого через линию 170 во вторичный конвертор 300 аммиака, может быть скорректирована или отрегулирована охлаждением аммиачного выходного потока в первом теплообменнике 168 до надлежащей температуры. Например, аммиачный выходной поток может быть введен через линию 170 во вторичный конвертор 300 аммиака при температуре, варьирующей от низкой около 315°C, около 325°C или около 335°C до высокой около 365°C, около 370°C или около 375°C.

В одном или более вариантах осуществления аммиачный выходной поток, введенный в один или более вторичных конверторов 300 аммиака, может быть выведен через линию 302. Аммиачный выходной поток в линии 302 может быть распределен на первую часть через линию 162 и вторую часть через линию 228. В одном или более вариантах осуществления доля первой части аммиачного выходного потока в линии 162 может варьировать от низкой около 35 объемных процентов, около 40 объемных процентов или около 45 объемных процентов до высокой около 50 объемных процентов, около 55 объемных процентов или около 60 объемных процентов общего аммиачного выходного потока в линии 170. В одном или более вариантах осуществления вторая часть аммиачного выходного потока в линии 228 может составлять остальное количество общего аммиачного выходного потока в линии 170.

В одном или более вариантах осуществления первая часть аммиачного выходного потока через линию 162 может быть использована для нагревания второй части подаваемого газа в линии 116, как обсуждено и описано выше с привлечением фиг.1 и 2. В одном или более вариантах осуществления вторая часть аммиачного выходного потока в линии 228 может быть использована для получения пара высокого давления в линии 232 и предварительного нагревания питательной воды для котла (BFW) в линии 238, как обсуждено и описано выше с привлечением фиг.2. Первая часть аммиачного выходного потока через линию 164 может быть введена во вторую часть аммиачного выходного потока в линии 240 для получения объединенного или иным образом смешанного аммиачного выходного потока в линии 242. Аммиачный выходной поток в линии 242 может быть введен в предварительный нагреватель 202 подаваемого газа для получения предварительно нагретого подаваемого газа в линии 214 и охлажденного аммиачного выходного потока в линии 244.

Определенные варианты осуществления и признаки были описаны с использованием набора численных верхних пределов и набора численных нижних пределов. Должно быть понятно, что рассматриваются диапазоны от любого нижнего предела до любого верхнего предела, если не оговорено нечто иное. Определенные нижние пределы, верхние пределы и диапазоны указаны ниже в одном или более пунктах формулы изобретения. Все численные значения представляют собой величины, указанные как «около» или «приблизительно», и учитывают экспериментальные погрешности и вариации, которые следовало бы предполагать специалисту, имеющему обычную квалификацию в этой области технологии.

Выше были определены разнообразные термины. В пределах терминологии в пунктах формулы изобретения, каковая не определена выше, специалистам в относящейся к делу области технологии следует руководствоваться самым широким смыслом таких терминов, каковые отражены по меньшей мере в одной напечатанной публикации или выданном патенте. Далее, все патенты, процедуры испытаний и прочие документы, цитированные в настоящей заявке, полностью включены ссылкой в такой мере, насколько такое раскрытие не противоречит настоящей заявке, и для всех юрисдикций, в которых такое включение разрешено.

В то время как вышеизложенное направлено на варианты осуществления настоящего изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления изобретения могут быть разработаны без выхода за пределы базовой области такового, и область такового определяется нижеследующими пунктами формулы изобретения.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности для получения аммиака. Конвертор аммиака может включать первую оболочку (108) с размещенными в ней двумя или более отдельными слоями катализатора (134, 136, 138, 140), вторую оболочку (106), расположенную вокруг первой оболочки. Первый теплообменник (168), размещен снаружи первой оболочки (108) и находится с ней в сообщении по текучей среде (166) через проточный канал (124), размещенный внутри первой оболочки (108). Второй теплообменник (104) размещен снаружи второй оболочки (106) и находится с ней в сообщении по текучей среде (116). Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность получения аммиака. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система для получения аммиака, содержащая:
конвертор, включающий:
первую оболочку, имеющую два или более отдельных слоев катализатора, размещенных в ней;
вторую оболочку, расположенную вокруг первой оболочки; и
проточный канал, размещенный внутри первой оболочки, причем два или более отдельных слоев катализатора внутри первой оболочки размещены вокруг проточного канала;
первый теплообменник, расположенный снаружи конвертора и находящийся в сообщении по текучей среде с первой оболочкой; и второй теплообменник, расположенный снаружи конвертора и находящийся в сообщении по текучей среде со второй оболочкой.

2. Система по п.1, в которой первая и вторая оболочки являются концентрическими относительно друг друга.

3. Система по п.1, в которой первая оболочка, вторая оболочка и проточный канал являются концентрическими относительно друг друга.

4. Система по п.1, в которой каждая из первой оболочки и второй оболочки включает первую секцию и вторую секцию, причем первая секция имеет большее поперечное сечение, чем поперечное сечение второй секции.

5. Система для получения аммиака, содержащая:
первый вмещающий объем, расположенный внутри второго вмещающего объема;
два или более отдельных слоев катализатора, расположенных внутри первого вмещающего объема;
проточный канал, по меньшей мере частично расположенный внутри первого вмещающего объема, причем проточный канал и первый вмещающий объем образуют кольцевой зазор между собой;
первый теплообменник, расположенный снаружи первого и второго вмещающих объемов;
второй теплообменник, расположенный снаружи первого и второго вмещающих объемов, причем проточный канал находится в сообщении по текучей среде с первым вмещающим объемом на первом своем конце и в сообщении по текучей среде с первым теплообменником на втором своем конце, и второй теплообменник находится в сообщении по текучей среде со вторым вмещающим объемом.

6. Система по п.5, в которой первый вмещающий объем и второй вмещающий объем являются концентрическими относительно друг друга.

7. Система по п.5, в которой первый вмещающий объем, второй вмещающий объем и проточный канал являются концентрическими относительно друг друга.

8. Система по п.5, в которой каждый из первого вмещающего объема и второго вмещающего объема содержит первую секцию и вторую секцию, причем первая секция имеет большее поперечное сечение, чем поперечное сечение второй секции.

9. Способ получения аммиака, содержащий этапы, на которых:
распределяют подаваемый газ, содержащий азот и водород, в конвертор аммиака, причем конвертор содержит:
первую оболочку, имеющую два или более отдельных слоев катализатора, размещенных в ней;
вторую оболочку, расположенную вокруг первой оболочки;
первый теплообменник, расположенный снаружи первой оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней;
второй теплообменник, расположенный снаружи второй оболочки и находящийся в сообщении по текучей среде с ней; и
проточный канал, расположенный внутри первой оболочки, причем два или более отдельных слоев катализатора внутри первой оболочки размещены вокруг проточного канала, причем первую часть подаваемого газа вводят в первую оболочку и вторую часть подаваемого газа вводят во вторую оболочку;
обеспечивают реакцию первой части подаваемого газа в присутствии катализатора для получения аммиачного выходного потока;
обеспечивают передачу по меньшей мере части теплоты реакции из аммиачного выходного потока для получения пара внутри первого теплообменника;
обеспечивают передачу по меньшей мере части теплоты реакции от аммиачного выходного потока второй части подаваемого газа внутри второго теплообменника;
вводят нагретую вторую часть подаваемого газа в первую оболочку; и обеспечивают реакцию нагретой второй части подаваемого газа в присутствии катализатора.

10. Способ по п.9, в котором пар имеет давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа.

11. Способ по п.9, в котором аммиачный выходной поток имеет температуру от около 440°C до около 465°C.

12. Способ по п.9, в котором аммиачный выходной поток имеет давление от около 13500 кПа до около 19000 кПа.

13. Способ по п.9, в котором аммиачный выходной поток охлаждают во втором теплообменнике до температуры от около 335°C до около 385°C.

14. Способ по п.9, в котором первая часть составляет от около 40 об.% до около 52 об.% подаваемого газа.

15. Способ по п.9, в котором вторая часть внутри второй оболочки имеет температуру от около 120°C до около 160°C.

16. Способ по п.9, в котором катализатор включает магнетит, один или более металлов платиновой группы, их производные или комбинации.

17. Способ по п.9, в котором от около 45 об.% до около 55 об.% аммиачного выходного потока используют для нагревания второй части подаваемого газа.

18. Способ модернизации системы для получения аммиака, причем система включает конвертор аммиака, имеющий внутреннее обменное устройство для нагревания аммиачного подаваемого газа, обменное устройство для передачи теплоты от аммиачного продукта потоку технологических отходов, причем способ содержит этапы, на которых:
удаляют внутреннее обменное устройство из конвертора;
обеспечивают колпак, внутри которого размещен теплообменник;
соединяют внутреннюю оболочку колпака с внутренней оболочкой конвертора аммиака;
соединяют наружную оболочку колпака с наружной оболочкой конвертора аммиака;
обеспечивают проточный канал наружу колпака;
передают теплоту от аммиачного продукта для получения пара высокого давления внутри первого теплообменника, размещенного снаружи конвертора;
передают теплоту от аммиачного продукта аммиачному подаваемому газу внутри второго теплообменника, размещенного снаружи конвертора; и возвращают нагретый аммиачный подаваемый газ в конвертор.

19. Способ по п.18, в котором пар высокого давления имеет давление от около 10300 кПа до около 12500 кПа.

20. Способ по п.18, в котором аммиачный продукт имеет температуру от около 440°C до около 465°C.