СПОСОБ СИНТЕЗА АММИАКА Российский патент 2021 года по МПК C01C1/04 

Область техники

Изобретение относится к области синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащего водород и азот. В частности, изобретение относится к процессу синтеза аммиака при двух разных давлениях.

Уровень техники

Синтез аммиака в промышленности осуществляется каталитической конверсией подпиточного синтез-газа, содержащего водород (Н₂) и азот (N₂), проводимой при высоком давлении.

Подпиточный газ получают в головной секции риформингом подходящего углеводородного сырья, например природного газа. Эта головная секция включает, например, секцию риформинга и секцию очистки. Секция риформинга может содержать первичный риформер и вторичный риформер; секция очистки обычно содержит один или более конвертеров сдвига, секцию удаления диоксида углерода и секцию метанирования.

Очищенный подпиточный газ получают при давлении, много меньшем, чем давление синтеза, и повышают его до давления синтеза в соответствующей секции сжатия газа, обычно, многоступенчатым компрессором. Сжатый подпиточный газ далее подается в секцию синтеза, где происходит его конверсия в аммиак. Секция синтеза обычно включает контур синтеза, работающий при давлении примерно 80-300 бар.

Подпиточный газ содержит Н₂ и N₂ в молярном соотношении 3:1 и небольшое количество не участвующих в реакции компонентов, например, метана (СН₄) и аргона (Ar), которые снижают скорость конверсии и будут далее называться ″инертными газами″. Они накапливаются в газе, циркулирующем в контуре синтеза, и их концентрацию регулируют отведением из контура потока продувочного газа.

Для снижения неудобств, связанных с высокими концентрациями инертных газов, были предложены процессы, стадии которых осуществляются при двух разных давлениях, когда аммиак последовательно синтезируют в первом контуре и втором контуре, работающих при повышающемся давлении. Первый контур синтеза обычно включает конвертер, охладитель-конденсатор и сепаратор аммиака. В существующих процессах синтеза аммиака при двух давлениях используется однопроходный конвертер первого контура синтеза. Пример такого процесса описан в ЕР 1339641.

В обычном процессе получения аммиака, проводимого при двух разных давлениях, большая часть аммиака (обычно, более 60%) синтезируется во втором контуре. Если же требуется увеличение производительности, второй контур может достичь предела и становится узким местом производства. Более того, управление температурой на выходе конвертера первого контура синтеза затруднено, и следующее после этого конвертера оборудование подвергается риску азотирования.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается усовершенствованный способ получения аммиака в процессе с двумя стадиями с разными давлениями. В частности, в изобретении ставится задача повышения производительности процесса и улучшения управления температурой после конвертера первого контура синтеза. Термин ″производительность″ следует понимать как количество аммиака, которое может быть получено.

Эти задачи решаются способом синтеза аммиака из подпиточного газа в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Подпиточный газ содержит водород (Н₂) и азот (N₂) в молярном соотношении примерно 3:1.

Способ включает первую реакционную стадию при первом давлении Р₁ и вторую реакционную стадию при втором давлении Р₂, превышающем первое давление, причем: на первой реакционной стадии получают поток продукта, включающий аммиак и отходящий газ, содержащий непрореагировавший подпиточный газ; первая часть этого отходящего газа используется во второй реакционной стадии, а вторая часть отходящего газа возвращается обратно на первую реакционную стадию.

Способ также включает стадию сжатия отходящего газа первой реакционной стадии от первого давления Р₁ до второго давления Р₂, причем вторая часть отходящего газа отбирается перед этим на стадию сжатия. Эта вторая часть будет также называться рециркулирующей частью.

Предпочтительно, первое давление Р₁ составляет от 60 до 130 бар, а величина второго давления Р₂, предпочтительно, составляет от 150 до 280 бар.

В соответствии с вариантом выполнения изобретения, вторая часть отходящего газа отбирается перед стадией сжатия и возвращается на первую реакционную стадию через эжектор, в котором рабочая (движущая) текучая среда ускоряется в сужении, создавая разрежение и, тем самым, всасывая упомянутую рециркулирующую часть.

Предпочтительно, рабочей текучей средой является подпиточный газ, питающий первую реакционную стадию. В результате, подпиточный газ, действующий как рабочая текучая среда, и рециркулирующая часть, содержащая непрореагировавший подпиточный газ, смешиваются для образования входного потока на первую реакционную стадию.

В соответствии с этим вариантом выполнения, отходящий газ первой реакционной стадии только частично подвергается упомянутому сжатию. Предпочтительно, он разделяется на первую часть и вторую часть; первая часть подается на стадию сжатия, и полученный при этом сжатый поток используется в реакции во второй реакционной стадии, в то время как вторая часть возвращается обратно на первую реакционную стадию.

В соответствии с вариантом, не являющимся предметом заявляемого здесь изобретения, вторая часть отходящего газа отбирается после стадии сжатия и рециркулируется непосредственно на первую реакционную стадию. Термин ″непосредственно″ означает, что эта вторая часть возвращается обратно на первую реакционную стадию без дальнейшего сжатия, например, без прохождения через эжектор.

В соответствии с этим вариантом, не являющимся предметом заявляемого здесь изобретения, рециркулирующая часть смешивается с подпиточным газом, образуя входной поток в первую реакционную стадию. В соответствии с этим вариантом, не являющимся предметом заявляемого здесь изобретения, отходящий газ первой реакционной стадии полностью, или почти полностью, подвергается сжатию на стадии сжатия, и полученный таким образом сжатый поток формирует первую и вторую части.

Предпочтительно, описанный выше подпиточный газ получают сжатием в компрессоре потока подпиточного газа до первого давления Р₁. Этот поток подпиточного газа, предпочтительно, получен реформингом углеводородного сырья и дальнейшей очисткой в головной секции, а компрессор пригоден для сжимания потока подпиточного газа от давления головной секции, составляющего примерно 15-30 бар, до первого давления примерно 60-130 бар.

В соответствии с предпочтительными вариантами выполнения, вторую реакционную стадию дает, в результате, поток, содержащий аммиак, и поток продувочного газа, в основном содержащий водород, азот и инертные газы. Этот поток продувочного газа, предпочтительно, подвергается регенерации, с отделением водорода в виде содержащего водород потока.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, содержащий водород поток смешивается с подпиточным газом, и это смешивание осуществляется на всасывающей стороне или напорной стороне компрессора, поднимающего давление подпиточного газа от давления головной секции до первого давления Р₁.

Установка получения аммиака при двух разных давлениях, согласно приложенной формуле, также является предметом настоящего изобретения.

Эта установка включает первый контур синтеза, работающий при первом давлении Р₁, и второй контур синтеза, работающий при втором давлении Р₂, превышающем первое давление, причем: первый контур синтеза создает результирующий поток, включающий аммиак и отходящий газ, содержащий непрореагировавший подпиточный газ; первая линия (трубопровод) используется для подачи первой части этого отходящего газа ко второму контуру синтеза, а вторая линия используется для рециркуляции второй части этого отходящего газа в первый контур синтеза. И установка дополнительно включает компрессор для сжатия отходящего газа от первого давления до второго давления, причем вторая линия находится на всасывающей стороне компрессора, а эжектор обеспечивает подачу второй части отходящего газа в первый контур синтеза.

Первый контур синтеза, предпочтительно, содержит по меньшей мере один конвертер, охладитель-конденсатор и сепаратор аммиака. В соответствии с изобретением, по меньшей мере один конвертер действует как рециркуляционный конвертер, а не как однопроходный.

Другой задачей настоящего изобретения является способ модернизации (переоборудования) существующей установки синтеза аммиака с двумя давлениями, в соответствии с приложенной формулой изобретения.

А именно, предлагается способ модернизации установки для синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащей: первый контур синтеза, работающий при первом давлении, в котором проходит реакция подпиточного газа с получением первого потока продукта и отходящего газа, содержащего непрореагировавший подпиточный газ; второй контур синтеза, работающий при втором давлении, превышающем первое давление, в котором проходит реакция отходящего газа с получением второго потока продукта; компрессор, сжимающий отходящий газ от первого давления до второго давления. В предлагаемом способе устанавливают линию для рециркуляции части отходящего газа в первый контур синтеза, причем устанавливают указанную линию на всасывающей стороне компрессора, и устанавливают эжектор на входе первого контура синтеза.

В предпочтительном варианте осуществления эжектор устанавливают на линии подачи подпиточного газа в первый контур синтеза так, что подпиточный газ действует как рабочая текучая среда для эжектора.

Первым преимуществом настоящего изобретения является увеличенная производительность получения аммиака в первом контуре синтеза и связанная с этим меньшая нагрузка второго контура синтеза. Эта позволяет увеличить производительность установки при тех же габаритах оборудования.

Другим преимуществом является улучшенное управление температурой на выходе конвертера(-ов) первого контура. Соответственно, существенно снижается риск азотирования оборудования, установленного после этого конвертера(-ов).

Далее приводится более подробное рассмотрение изобретения с использованием описания предпочтительных вариантов выполнения, не ограничивающих изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 представлена блок-схема установки для синтеза аммиака из подпиточного синтез-газа, в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;

на фиг. 2 представлена версия схемы установки, показанной на фиг. 1, не являющаяся предметом заявляемого здесь изобретения;

на фиг. 3 подробно представлен первый контур синтеза.

Подробное описание осуществления изобретения

Представленная на фиг. 1 установка в основном содержит первый компрессор 1, увеличивающий давление подпиточного газа от давления головной секции до первого давления Р₁, первый контур 2 синтеза аммиака, второй компрессор 3, увеличивающий давление отходящего потока первого контура 2 до второго давления Р₂, второй контур 4 синтеза аммиака, секцию 5 регенерации продувочного газа и эжектор 6. Первый контур 2 работает при давлении Р₁, а второй контур 4 работает при давлении Р₂.

Первое давление Р₁, предпочтительно, составляет в интервале 60-130 бар, а второе давление Р₂, предпочтительно, составляет в интервале 150-280 бар.

Подпиточный газ 10 сжимается в первом компрессоре 1 до давления Р₁. Этот подпиточный газ 10 получают в головной секции (не показана) установки, например, риформингом углеводородного сырья при давлении, существенно меньшем, чем давление Р₁, например, в интервале 15-30 бар.

Сжатый таким образом подпиточный газ 11 смешивается с содержащим водород потоком 21, отведенным из секции 5 регенерации продувочного газа, с образованием потока 12.

Поток 12 и потока 15b газа, рециркулированный из отходящего потока 15 первого контура 2 синтеза, подаются в эжектор 6, где они перемешиваются, формируя входной поток 13 в первый контур 2 синтеза. Упомянутый поток 12 действует как рабочая текучая среда, всасывая поток 15b газа и подавая его в первый контур 2.

Полученный таким путем поток 13 поступает в первый контур 2 синтеза, вырабатывающий в качестве продукта 14 жидкий аммиак и газовый поток 15, содержащий непрореагировавший подпиточный газ. Как показано на фиг. 3, поток 13 входит в конвертер 7, образуя частично прореагировавший газовый поток 24, содержащий аммиак и непрореагировавший подпиточный газ. Этот газовый поток 24 охлаждается внутри охладителя-конденсатора 8, в котором происходит частичная конденсация аммиака для формирования смеси 25. Эта смесь 25 далее поступает в сепаратор 9 аммиака, где продукт 14 в виде жидкого аммиака отделяется от газовой фазы 15. Эта газовая фаза 15 также содержит аммиак, не сконденсированный в охладителе-конденсаторе 8.

Эта газовая фаза 15 разделяется на две части 15а и 15b. Первая часть 15а подается во второй компрессор 3, где она сжимается до давления Р₂, образуя поток 16 повышенного давления, а вторая часть 15b рециркулирует обратно к напорной стороне первого компрессора 1 для участия далее в реакции в первом контуре 2 синтеза.

Этот поток 16 повышенного давления подается во второй контур 4 синтеза, в котором он далее вступает в химическую реакцию с получением продукта 17 реакции получения аммиака и продувочного газа 18.

Этот продувочный газ 18 непрерывно отбирается из контура 4 синтеза для ограничения накопления инертных газов и направляется в блок 5 регенерации. Этот продувочный газ 18 содержит некоторое количество аммиака, который, предпочтительно, регенерируется в этом блоке регенерации в виде раствора 19 аммиака.

Блок 5 регенерации продувочного газа также отделяет инертные газы 20 от содержащего водород потока 21, который рециркулирует к напорной стороне первого компрессора 1, смешиваясь с подпиточным газом 11, образуя, тем самым, поток 12.

В альтернативном случае, водород, полученный блоке 5 регенерации продувочного газа, может быть рециркулирован к всасывающей стороне первого компрессора. Водорода 21 рециркулирует к напорной стороне, либо всасывающей стороне первого компрессора 1, в зависимости от давления, при котором отводится содержащий водород поток из блока 5 регенерации продувочного газа.

На фиг. 2 представлена версия выполнения установки, показанной на фиг. 1, не являющаяся предметом заявляемого здесь изобретения. Оборудование и подающие линии (трубопроводы), общие с установкой, показанной на фиг. 1, имеют те же ссылочные цифровые обозначения.

В соответствии с этим вариантом выполнения, газовая фаза 15, отведенная от первого контура 2 синтеза, полностью подается во второй компрессор 3, образуя поток 16 повышенного давления.

Этот поток 16 разделяется на две части 16а и 16b. Первая часть 16а подается во второй контур 4 синтеза, а вторая часть 16b рециркулирует обратно к напорной стороне первого компрессора 1. Эта вторая часть 16b смешивается с потоком 12, образуя входной поток 23 в первый контур 2 синтеза. В этом случае, эжектор 6 не требуется благодаря более высокому давлению потока 16b.

Изобретение относится к области синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащего водород и азот. Способ включает две реакционные стадии, осуществляемые при двух разных давлениях. Реакция второй стадии проводится при давлении более высоком, чем реакция первой стадии. На первой стадии получают поток продукта, включающий аммиак и отходящий газ, содержащий непрореагировавший подпиточный газ. Первая часть этого отходящего газа используется во второй стадии, а вторая часть отходящего газа возвращается обратно на первую реакционную стадию. Способ включает стадию сжатия отходящего газа первой стадии от первого давления до второго давления, причем вторую часть отходящего газа отбирают перед стадией сжатия и рециркулируют на первую реакционную стадию через эжектор. Обеспечивается повышение производительности процесса. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ синтеза аммиака из подпиточного газа (11), включающий первую реакционную стадию при первом давлении (P₁) и вторую реакционную стадию при втором давлении (Р₂), превышающем первое давление, причем:

на первой реакционной стадии образуется поток (14) продукта, включающий аммиак и отходящий газ (15), содержащий непрореагировавший подпиточный газ;

первая часть (16, 16а) отходящего газа вступает в реакцию на второй реакционной стадии, и

вторую часть (15b, 16b) отходящего газа рециркулируют на первую реакционную стадию, и

способ включает стадию сжатия отходящего газа первой реакционной стадии от первого давления (P₁) до второго давления (Р₂), где вторую часть (15b) указанного отходящего газа отбирают перед стадией сжатия и рециркулируют на первую реакционную стадию через эжектор (6).

2. Способ по п. 1, в котором подпиточный газ (11) действует как рабочая текучая среда внутри эжектора (6).

3. Способ по п. 2, в котором подпиточный газ (11) смешивают с упомянутой второй частью (15b) внутри эжектора (6), формируя входной поток (13) для первой реакционной стадии.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на второй реакционной стадии вырабатывается поток (18) продувочного газа, содержащий водород, направляемый в блок (5) регенерации продувочного газа, причем по меньшей мере часть этого водорода отделяют в виде содержащего водород потока (21).

5. Способ по п. 4, в котором содержащий водород поток (21) смешивают с подпиточным газом (11).

6. Установка для синтеза аммиака из подпиточного газа (11), содержащая первый контур (2) синтеза, работающий при первом давлении (P₁), и второй контур (4) синтеза, работающий при втором давлении (Р₂), превышающем первое давление, причем:

первый контур (2) синтеза обеспечивает поток (14) продукта, содержащий аммиак, и отходящий газ (15), содержащий непрореагировавший подпиточный газ;

имеется первая линия (16, 16а) для подачи первой части отходящего газа во второй контур (4) синтеза, и

вторая линия (15b, 16b) для рециркуляции второй части отходящего газа в первый контур (2) синтеза, и

установка дополнительно включает компрессор (3) для сжатия отходящего газа от первого давления (P₁) до второго давления (Р₂), причем вторая линия (15b) находится на всасывающей стороне компрессора (3), а эжектор (6) обеспечивает подачу второй части отходящего газа в первый контур (2) синтеза.

7. Способ модернизации установки для синтеза аммиака из подпиточного газа (11), содержащей:

первый контур (2) синтеза, работающий при первом давлении (P₁), в котором проходит реакция подпиточного газа (11) с получением первого потока (14) продукта и отходящего газа (15), содержащего непрореагировавший подпиточный газ;

второй контур (4) синтеза, работающий при втором давлении (Р₂), превышающем первое давление, в котором проходит реакция отходящего газа с получением второго потока (17) продукта;

компрессор (3), сжимающий отходящий газ от первого давления (P₁) до второго давления (Р₂),

отличающийся тем, что устанавливают линию (15b, 16b) для рециркуляции части отходящего газа в первый контур (2) синтеза, причем устанавливают указанную линию (15b) на всасывающей стороне компрессора (3), и устанавливают эжектор (6) на входе первого контура (2) синтеза.

8. Способ по п. 7, в котором эжектор (6) устанавливают на линии подачи подпиточного газа в первый контур (2) синтеза так, что подпиточный газ действует как рабочая текучая среда для эжектора (6).