СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ ВХОДНОЙ ЧАСТИ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИНТЕЗА АММИАКА Российский патент 2018 года по МПК C01B3/02 C01C1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к модернизации установок для синтеза аммиака. В частности, изобретение касается модернизации входной части установки для синтеза аммиака, в которой получают свежий газ для синтеза аммиака.

Уровень техники

Для синтеза аммиака (NH₃) требуется синтез-газ, содержащий водород (Н₂) и азот (N₂) в соответствующем отношении, равном примерно 3:1. Термин "синтез-газ для получения аммиака" используется в отношении синтез-газа вышеуказанного состава.

Известен способ получения указанного синтез-газа для синтеза аммиака в процессе конверсии десульфурированного природного газа посредством первичной конверсии с водяным паром и последующей вторичной конверсии выходящего потока (ЕР 2022754).

Согласно известному уровню техники углеводородное сырье подвергают конверсии с водяным паром на установке для первичной конверсии, и затем полученный газ взаимодействует с потоком оксиданта на установке для вторичной конверсии. Затем газ, выходящий после конверсии с установки для вторичной конверсии, очищают, в первую очередь, для удаления оксидов углерода, и получают газ, имеющий состав, подходящий для синтеза аммиака, т.е., имеющий молярное отношение H₂/N₂ (соотношение HN) почти 3:1. Секция очистки включает в основном СО-конвертеры, в которых СО превращается в диоксид углерода и водород, установку для удаления СО₂ и, возможно, реактор-метанатор.

Установку для вторичной конверсии называют также установкой для автотермической конверсии (УАК). Указанный термин "установка для автотермической конверсии" обозначает каталитический конвертер, в котором происходит окисление исходных углеводородов и обеспечивается выделение тепла для конверсии. Возможна также только автотермическая конверсия без первичной конверсии.

На современном уровне техники известны несколько способов модернизации имеющихся установок для синтеза аммиака с целью повышения их производственной мощности или снижения их энергопотребления. Известные способы включают использование на установке для вторичной (автотермической) конверсии в качестве оксиданта вместо воздуха кислорода или воздуха с повышенной концентрацией кислорода. Это может сопровождаться введением потока азота в контур синтеза с целью обеспечения молярного отношения H₂:N₂, равного примерно 3, требуемого для реакции синтеза аммиака. Для подачи кислорода в секцию конверсии и азота в секцию очистки могут быть предусмотрены специальные установки разделения воздуха (УРВ). Ряд примеров представлен в WO 2012/004032 и ЕР 2631213.

Как оксидант, так и азот требуются под давлением во входной части обычно в диапазоне 20-50 бар.

Однако такой способ, включающий раздельную подачу кислорода и азота во входную часть установки является очень дорогостоящим, главным образом, из-за наличия УРВ, которая включает большие компрессоры. Это снижает экономический эффект от модернизации.

К основным элементам УРВ обычно относятся:

воздушный компрессор;

реверсивные теплообменники или поглотители влаги с цеолитом для очистки воздуха путем удаления воды и СО₂;

секция холодильной установки (так называемая холодильная камера);

компрессорная система для продукта.

Холодильная камера работает при криогенных температурах, при которых воздух разделяют на его составляющие с требуемой степенью чистоты. Холодильная камера в основном включает разделительные колонны и теплообменники.

Компрессорная система для продукта может включать или два компрессора для газа, или комбинацию из одного компрессора для газа и внутренней насосно-трубопроводной системы для жидкого продукта. Если часть продукта подается с использованием низкотемпературной внутренней насосно-трубопроводной системы, то требуется также воздушный бустер-компрессор.

Оксидант и азот можно сжимать на УРВ или в предназначенном для этого компрессоре до ввода, соответственно, на установку для вторичной компрессии и установку очистки.

В случае наличия внутренней насосно-трубопроводной системы либо для оксиданта, либо для азота давление подачи в холодильной камере УРВ (выход теплообменника для выходящего потока сырья) является давлением во входной части. В случае внешней компрессии либо оксиданта, либо азота указанное давление подачи в холодильной камере обычно составляет примерно 1-5 бар и характеризуется как "давление, близкое к давлению окружающей среды".

Таким образом, для установки разделения воздуха обычно требуются по меньшей мере три больших компрессора. Указанные компрессоры являются очень дорогостоящими и значительно влияют на затраты на УРВ, и, в свою очередь, на затраты на модернизацию установки для синтеза аммиака. По вышеуказанным причинам модернизация, включающая обеспечение установки разделения воздуха, может стать менее привлекательной. В некоторых случаях поток, содержащий кислород, и поток, содержащий азот, можно получить и использовать для модернизации без обеспечения новой установки разделения воздуха, однако по-прежнему остается необходимость получения указанных потоков при соответствующем давлении.

Способ модернизации установки для синтеза аммиака, в которую подают природный газ, известен также из ЕР-А-2662327.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки уровня техники. В частности, изобретение ставит своей целью снижение затрат на модернизацию установки с использованием установки для вторичной конверсии с воздушным обогревом или установки для автотермической конверсии, если используются специальные потоки, содержащие кислород и азот, полученные, например, с установки разделения воздуха.

Эти цели достигнуты с применением способа, предлагаемого в пункте 1 формулы настоящего изобретения. Характерным признаком изобретения является то, что в секцию конверсии, в частности, на установку для вторичной конверсии или установку для автотермической конверсии, подают поток кислорода, чтобы обеспечить некоторое количество оксиданта. Чистота указанного потока кислорода, выраженная молярным процентным содержанием О₂, предпочтительно составляет по меньшей мере 50 мол. %. Отсюда следует, что указанная установка для вторичной конверсии работает с использованием воздуха с повышенным содержанием О₂ или по существу чистого кислорода в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения. Таким образом, способ, предлагаемый в настоящем изобретении, можно рассматривать как способ модернизации на основе использования кислорода.

Кроме того, в подходящем месте установки, предпочтительно в секции очистки, вводят поток азота, чтобы обеспечить требуемое молярное отношение H₂:N₂. Отличительный признак изобретения заключается в том, что по меньшей мере часть указанного потока азота сжимают с использованием воздушного компрессора, который ранее использовали для подачи воздуха на установку для вторичной компрессии или УАК. Указанный компрессор называют также "компрессор технологического воздуха" (КТВ).

Указанные потоки кислорода и азота обычно создаются установкой разделения воздуха. С этой целью в некоторых вариантах осуществления изобретения предлагаемый в изобретении способ может включать монтаж новой установки разделения воздуха. Однако настоящее изобретение также можно применять, если установка разделения воздуха уже имеется.

Компрессор технологического воздуха КТВ можно модернизировать, например, чтобы обеспечить повышение расхода. Однако это не является необходимым, и в некоторых вариантах осуществления изобретения модернизация КТВ не предусмотрена и компрессор используется таким, какой есть.

В вариантах осуществления изобретения, отличительным признаком которых является модернизация КТВ, указанный компрессор обычно способен подавать все требуемое для установки количество азота (или по меньшей мере большую его часть). Соответственно, в этих вариантах осуществления изобретения поток кислорода, направляемый на стадию конверсии, предпочтительно имеет высокую степень чистоты. Указанная степень чистоты потока кислорода предпочтительно составляет по меньшей мере 90 мол. %, а более предпочтительно - более 95 мол. %. С другой стороны, в вариантах осуществления изобретения, в которых КТВ не модернизирован, может быть так, что КТВ не способен обеспечить требуемое количество азота. В последнем случае может быть предпочтительным вводить некоторое количество азота с потоком кислорода, степень чистоты которого будет ниже, например, 50-90 мол. %, а более предпочтительно 70-90 мол. %. Другими словами, расход потока газообразного азота выбирают в соответствии с мощностью имеющегося воздушного компрессора, а остальное количество азота вводят с кислородом.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения предлагается разделять поток азота, выходящий с установки разделения воздуха, на два потока, а именно, первый поток с низким давлением и второй поток с высоким давлением. Указанный первый поток сжимается с использованием КТВ; указанный второй поток можно подавать непосредственно на установку в обход КТВ. Количество (расход) указанного первого потока можно рассчитать в соответствии с мощностью КТВ, который может быть модернизирован или не модернизирован. В этом варианте осуществления изобретения чистоту кислорода определяют в соответствии с объектом (потоком) разделения и мощностью воздушного компрессора.

Этот способ эффективно решает проблему высоких затрат на модернизацию, поскольку позволяет отказаться от одного из трех газовых компрессоров, так как давление подачи с УРВ в результате становится ниже, обычно около 1 -5 бар (давление, близкое к давлению окружающей среды) вместо 20-50 бар (давление во входной части), благодаря наличию внешнего компрессора. Кроме того, никакие большие модификации имеющегося воздушного компрессора не проводятся, хотя мощность установки существенно увеличивается.

Даже если используется модернизированный КТВ, то, несмотря на увеличение мощности установки, не требуется никаких больших модификаций. Например, при увеличении мощности на 50% расход в компрессоре технологического воздуха, используемом для азота, лишь на 10% выше в сравнении с вариантом с более низкой мощностью.

С применением способа модернизации на основе использования кислорода в имеющемся КТВ благодаря синергии в значительной мере устранены "узкие" места. В частности, изобретение включает следующие найденные решения.

Компрессор технологического воздуха сжимает чистый азот, без следов кислорода, воды и СО₂. На УРВ необходима секция предварительной очистки воздуха, чтобы удалить все примеси и, таким образом, избежать конденсации паров, застывания воды, находящейся в жидкой фазе, и конденсации газообразного СО₂. В результате азот выходит с УРВ чистым и сухим. Другие компоненты, например, аргон, присутствуют лишь в количествах, измеряемых в част./млн (ppm).

Молекулярная масса азота (MW=28) - почти такая же, как средняя MW воздуха (примерно 29). Следовательно, характеристики компрессора существенно не изменяются, и режим работы компрессора (соотношение скорости и давления, скорости и кпд) совместим с новыми технологическими условиями.

Давление нагнетания (на выходе) КТВ - ниже, чем было до этого (обычно около 5 бар), так как азот можно вводить на стороне выхода секции очистки, исключая, таким образом, падение давления в устройствах на стороне входа.

Эти и другие преимущества изобретения будут понятнее при помощи приведенного ниже описания и чертежей, относящихся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

фиг. 1 - блок-схема первого варианта осуществления изобретения,

фиг. 2 - блок-схема второго варианта осуществления изобретения,

фиг. 3 - блок-схема третьего варианта осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг. 1 показывает первый вариант осуществления изобретения.

Входная часть для получения синтез-газа для синтеза аммиака включает установку 1 для первичной конверсии, установку 2 для вторичной конверсии и секцию 3 очистки. Указанная секция 3 очистки может включать СО-конвертеры и установки очистки, т.е., удаление СО₂ и метанирование. Очищенный газ, выходящий из указанной секции 3, подают в секцию 4 синтеза аммиака.

Установка 2 для вторичной конверсии изначально обогревается воздухом 7, подаваемым компрессором 6.

В способе, предлагаемом в изобретении, используются поток кислорода 8 и поток азота 9, подаваемые установкой 5 разделения воздуха. В некоторых вариантах осуществления изобретения способ, предлагаемый в изобретении, может включать монтаж указанной установки 5.

Указанная установка 5 разделения воздуха подает поток 9 азота под давлением, почти равным давлению окружающей среды, например, 1-5 бар. Указанный поток 9 сжимают посредством воздушного компрессора 6 и сжатый азот 10 подают в соответствующее место входной части, предпочтительно в секцию 3 очистки. Например, азот вводят после секции удаления СО₂ или после секции метанирования. Воздуховод 7 может быть периодического действия.

Поскольку поток 9 азота сжимают воздушным компрессором 6, можно отказаться от одного из внутренних компрессоров на УРВ 5, т.е., УРВ не требуется отводить поток 9 азота под высоким давлением входной части.

Установка, показанная на фиг. 1, работает следующим образом: исходный природный газ NG смешивается с потоком PS водяного пара и поступает на установку 1 для первичной конверсии. Газ, выходящий после конверсии с установки для первичной конверсии, подают на установку (2) для автотермической вторичной конверсии, работающую теперь как установка для конверсии с кислородным обогревом, вследствие подачи 8 кислорода с УРВ 5. УРВ 5 подает также азот 9 для добавления в секцию 3 очистки, чтобы обеспечить для реакции синтеза аммиака требуемое молярное отношение H₂:N₂, равное примерно 3. Компрессор 6 используется для компрессии всего количества азота, отделенного от воздуха и выходящего с УРВ 5.

Степень чистоты потока 9 предпочтительно выше 90%. Например, расход оксиданта составляет 1428 кмол/ч, а содержащегося в нем кислорода - 1365 кмол/ч, тогда как азота - 30 кмол/ч и других компонентов (например, аргона) - 33 кмол/ч.

Фиг. 2 показывает второй вариант осуществления изобретения, в котором с УРВ 5 подают первый поток 9' азота под низким давлением и второй поток 9'' под высоким давлением. Обычно указанный второй поток 9'' подают под давлением во входной части, например, 20-50 бар, с использованием криогенного насоса.

Первый поток 9' сжимают с использованием воздушного компрессора 6, тогда как второй поток 9'' подают непосредственно в секцию 3 очистки, возможно объединяя его с потоком 10, нагнетаемым указанным компрессором.

Соотношение этих двух потоков 9' и 9'' выбирают в соответствии с мощностью имеющегося воздушного компрессора 6, таким образом минимизируя или исключая модификации.

Фиг. 3 показывает третий вариант осуществления изобретения, в котором с УРВ 5 подают весь поток 9 азота под низким давлением, а компрессор 6 не модернизирован в сравнении с первоначальными условиями. В этом случае количества азота в потоке 9 может быть недостаточно для достижения требуемого отношения 3:1, и может быть предпочтительным использовать поток 8' кислорода с низкой степенью чистоты для ввода недостающего количества азота с указанным потоком 8'.

Степень чистоты указанного потока 8' может составлять, например, около 70-90%. Например, расход оксиданта составляет 1754 кмол/ч, а содержащегося в нем кислорода - 1365 кмол/ч, тогда как азота - 356 кмол/ч и других компонентов (например, аргона) - 33 кмол/ч.

Относительный баланс кислорода и азота зависит от технологического процесса, в частности, от способов очистки синтез-газа (например, с использованием адсорбции с перемежающимся давлением (PSA - pressure swing adsorption), PSA с продувкой N₂ или промывки жидким азотом, или простого метанирования) и от потока для продувки в контуре синтеза. PSA можно использовать для удаления диоксида углерода и других примесей, таких как СО, СН₄, Ar. Например, если секция очистки включает установку PSA, то для технологического процесса требуется подавать кислород с небольшим избытком. В таком технологическом процессе удаляют также следы водорода, поэтому расход кислорода немного увеличивается. С другой стороны, если секция очистки включает установку для промывки жидким азотом для удаления примесей, таких как СО, Ar и СН₄, из потока неочищенного водорода, то для технологического процесса требуется подавать азот с небольшим избытком. Ведь в таком технологическом процессе некоторое количество азота (например, 10-15%) теряется с отходящим газом, поэтому требуется увеличение расхода.

Однако осуществление таких изменений существенно не изменяет раскрытый способ, так как изменение общего расхода кислорода или азота - небольшое в сравнении с общей потребностью для процесса синтеза аммиака.

Аналогичным образом, с установки разделения воздуха также можно было бы подавать другие потоки азота в зависимости от конкретных требований к технологическому процессу и установке, для постоянного или периодического расхода, например, азот для регенерации молекулярных сит или продувки установки PSA, или жидкий азот для охлаждения установки для промывки жидким азотом, или для заполнения емкости для жидкого азота. Осуществление этих изменений также по существу не изменяет раскрытый способ.

Изобретение относится к модернизации установки для синтеза аммиака. Способ модернизации входной части установки для синтеза аммиака, причем указанная входная часть подает получаемый газ для синтеза аммиака и включает секцию конверсии, включающую установку для вторичной конверсии с воздушным обогревом или установку для автотермической конверсии, работающую под давлением во входной части, секцию очистки потока, выходящего из секции конверсии, воздушный компрессор, первоначально установленный для подачи воздуха в секцию конверсии для использования в качестве оксиданта, при этом способ включает направление содержащего О₂ потока в секцию конверсии для использования в качестве оксиданта, введение потока азота в соответствующем месте входной части для обеспечения требуемого молярного отношения водорода к азоту в получаемом газе и сжимание потока азота посредством воздушного компрессора. Изобретение обеспечивает снижение затрат на модернизацию установки. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ модернизации входной части установки для синтеза аммиака, причем указанная входная часть подает получаемый газ для синтеза аммиака и включает:

секцию (1, 2) конверсии, включающую установку для вторичной конверсии с воздушным обогревом или установку (2) для автотермической конверсии, работающую под давлением во входной части;

секцию (3) очистки потока, выходящего из указанной секции конверсии;

воздушный компрессор (6), первоначально установленный для подачи воздуха в указанную секцию конверсии для использования в качестве оксиданта;

при этом способ включает следующие стадии:

содержащий О₂ поток (8) направляют в указанную секцию (2) конверсии для использования в качестве оксиданта;

по меньшей мере один поток (9) азота вводят в соответствующем месте входной части для обеспечения требуемого молярного отношения водорода к азоту в получаемом газе и

по меньшей мере часть указанного потока (9) азота сжимают посредством указанного воздушного компрессора (6).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный содержащий О₂ поток и указанный поток азота получают на установке (5) разделения воздуха.

3. Способ по п. 2, причем модернизация включает также обеспечение указанной установки разделения воздуха.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весь указанный поток азота сжимают посредством указанного воздушного компрессора (6).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный поток азота подается установкой разделения воздуха и поступает в указанный воздушный компрессор (6) под давлением, почти равным давлению окружающей среды, предпочтительно в диапазоне 1-5 бар.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый поток (9') азота сжимают посредством указанного воздушного компрессора (6), а второй поток (9ʺ) азота под более высоким давлением, чем указанный первый поток, подают непосредственно во входную часть в обход указанного компрессора.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что указанный первый поток и указанный второй поток получают на установке (5) разделения воздуха, причем указанный первый поток подается указанной установкой (5) под давлением, почти равным давлению окружающей среды, а указанный второй поток подается указанной установкой (5) под давлением, примерно равным указанному давлению во входной части.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что чистота указанного потока (8), содержащего О₂, составляет по меньшей мере 90 мол. %.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный воздушный компрессор (6) также модернизирован.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный воздушный компрессор не модернизирован, и указанный поток, содержащий О₂, включает соответствующее количество азота, которое после добавления к указанному потоку азота обеспечивает в получаемом газе требуемое молярное отношение H₂:N₂.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что указанный поток, содержащий О₂, имеет чистоту по меньшей мере 50 мол. %, предпочтительно - в пределах 50-90 мол. %, более предпочтительно - 70-90 мол. %.