Способ и конвертор для получения аммиака

 

Изобретение относится к получению аммиака каталитическим превращением аммиачного синтез-газа. Способ получения аммиака включает операции контактирования аммиачного синтез-газа с катализатором синтеза аммиака, расположенным в форме реакционной зоны в одной или более каталитической трубке, охлаждения реакционной зоны с обеспечением выполнения способа в изотермических условиях путем осуществления циркуляции охлаждающего агента внутри охлаждающих трубок, каждая из которых окружает концентрически одну каталитическую трубку, при этом охлаждающий агент выбирают из группы, включающей соли, смеси солей и металлы, имеющие температуру плавления ниже температуры в зоне реакции и вывода обогащенного аммиаком потока, вытекающего из реакционной зоны. Конвертор включает по меньшей мере одну каталитическую трубку, приспособленную к приему аммиачного синтез-газа и удерживанию зоны реакции катализатора синтеза аммиака, и по меньшей мере одну охлаждающую трубку, которая концентрически окружает по меньшей мере одну каталитическую трубку и в которой находится охлаждающий агент, выбранный из группы, включающей соли, смеси солей и металлы, имеющие температуру плавления ниже температуры в зоне реакции, и имеющий температуру, поддерживаемую на заданном уровне для обеспечения выполнения осуществляемого способа в изотермических условиях. 2 с. и 5 з. п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к получению аммиака каталитическим превращением аммиачного синтез-газа. Более конкретно, это изобретение касается синтеза аммиака при высоких скоростях превращения аммиачного синтез-газа в присутствии катализатора синтеза аммиака, расположенного в трубчатой зоне реакции, охлаждаемой хладагентом во внетрубной области трубчатой реакционной зоны. Синтез аммиака из синтез-газа, состоящего из водорода и азота, является экзотермическим процессом, и процесс требует охлаждения, чтобы получить высокие скорости превращения.

Даже если концентрация водорода и азота в синтез-газе близка к стехиометрическому составу для образования аммиака, завершенная реакция превращения в аммиак не может быть достигнута при разовом прохождении синтез-газа через каталитический слой. Кроме того, вследствие экзотермической природы синтеза аммиака повышение температуры во время прохождения через слой катализатора смещает равновесную концентрацию в сторону более низкой концентрации аммиака. Известно несколько способов охлаждения процесса синтеза аммиака.

В обычных способах получения аммиака из синтез-газа используют либо косвенное, либо прямое охлаждение синтез-газа между несколькими каталитическими слоями, где синтез аммиака протекает над катализатором синтеза аммиака.

При прямом охлаждении холодный синтез-газ вводят в частично прореагировавший синтез-газ между слоями. Недостатком этого способа охлаждения является разбавление частично прореагировавшего газа нереагировавшим газом, что приводит к более низкой концентрации аммиака в потоке продукта, получаемого по такому способу.

При косвенном способе охлаждения частично прореагировавший синтез-газ охлаждают холодным газом, обычно свежим синтез-газом, в теплообменнике, расположенном между выпускным и входным отверстиями двух каталитических слоев.

В настоящее время обнаружено, что скорость превращения аммиачного синтез-газа в аммиак значительно увеличивается, если охлаждение синтез-газа по мере его протекания через каталитический слой катализатора синтеза аммиака происходит путем передачи тепла охлаждающему агенту, находящемуся в непрерывном тепловом контакте с процессом.

Таким образом, это изобретение обеспечивает способ получения аммиака, включающий операции: - контактирования аммиачного синтез-газа с катализатором синтеза аммиака, расположенным в виде реакционной зоны в одной или более каталитической трубке; - непрерывного охлаждения зоны реакции путем передачи тепла из реакционной зоны охлаждающему агенту; и - удаления обогащенного аммиаком вытекающего из реакционной зоны потока.

В наиболее обычном воплощении вышеописанный способ выполняют в конверторе с одной или более каталитической трубкой, расположенной в оболочке для удержания охлаждающего агента. Синтез-газ поступает в верхнюю часть каталитической трубки и проходит через реакционную зону катализатора синтеза аммиака. Тепло, выделяющееся во время превращения в аммиак водорода и азота, содержащихся в синтез-газе, непрерывно передается через стенку каталитической трубки охлаждающей среде, окружающей трубку. При непрерывном охлаждении по данному способу адиабатического увеличения температуры по существу избегают, так что способ выполняют по существу в изотермических условиях. Изотермическое превращение синтез-газа приводит к более высоким скоростям превращения газа в аммиак по сравнению с известными способами синтеза аммиака с косвенным или прямым охлаждением частично прореагировавшего синтез-газа, где охлажденный газ контактирует с катализатором при адиабатических условиях. После удаления тепла реакции из реакционной зоны охлаждающую среду непрерывно или периодически удаляют из конвертора и снаружи охлаждают путем, например, теплообмена с водой или паром и возвращают обратно в конвертор общепринятыми средствами.

В особом воплощении изобретения охлаждающий агент находится в пространстве, образованном внешней стенкой каталитической трубки и внутренней стенкой охлаждающей трубки, которая концентрически окружает каталитическую трубку.

Преимущественной особенностью последнего воплощения является возможность избежать применения кожуха реактора с рядом каталитических трубок или выполнить его из материала со значительно меньшей механической прочностью, чем в обычных аммиачных конверторах.

Предпочтительно охлаждающие трубки, окружающие каталитические трубки, конструируют с более низкой механической прочностью, чем каталитические трубки. В случае разрушения каталитической трубки реагирующий газ, вытекающий под высоким давлением внутрь охлаждающих трубок, отводят в пространство за пределы охлаждающей трубки. Тем самым сброс давления синтез-газа происходит за пределами охлаждающих трубок, и удается успешно избегать вредных реакций газа с охлаждающим агентом.

Дальнейшей целью изобретения является создание конвертора для получения аммиака путем реакции аммиачного синтез-газа в присутствии катализатора синтеза аммиака и охлаждения реакции по мере ее протекания через катализатор синтеза, причем конвертор включает по меньшей мере одну каталитическую трубку, приспособленную к приему аммиачного синтез-газа и удерживанию реакционной зоны с катализатором синтеза аммиака, причем по меньшей мере одна каталитическая трубка расположена в контейнере с охлаждающим агентом, как схематически показано на прилагаемой фиг.1.

Охлаждающая среда, пригодная в качестве охлаждающего агента для рассмотренного выше способа и реактора, может быть любым твердым продуктом или жидкостью, имеющей точки плавления и кипения ниже желательной температуры в зоне реакции, включая соль или смесь солей, металлы или жидкости, являющиеся инертными при фактических условиях способа. Эти охлаждающие агенты включают эвтектические смеси солей, подобные смесям KNO₃, NaNO₃ и NaNO₂ (поставляемым Degussa), и эвтектические смеси NaOH и КОН. Дополнительные эвтектические смеси солей и охлаждающие жидкости хорошо известны в химической промышленности. Обычные температурные условия рассмотренного выше способа находятся между 300 и 600^oС. Температуру охлаждающего агента следует поддерживать на заданном уровне в пределах диапазона рабочей температуры путем внешнего охлаждения агента, как упомянуто выше.

Следующим воплощением изобретения является удаление аммиака из обогащенного аммиаком газообразного продукта, отводимого из каталитических трубок, которое достигается путем адсорбции на адсорбенте, имеющем высокое сродство к аммиаку при высоком давлении, подобно тому, как регенерацию отработанного адсорбента выполняют при помощи снятия давления над адсорбентом, а извлечение обогащенного аммиаком газа проводят подобно отделению, например, кислорода или азота в известных процессах адсорбции с дифференциалом давления. Более того, аммиак может быть отделен от не подвергшегося превращению синтез-газа путем охлаждения и конденсации аммиака из обогащенного аммиаком вытекающего потока по данному способу. Непрореагировавший синтез-газ после отделения от аммиака в газообразном продукте может затем быть подан повторно в каталитическую трубку или пропущен в последующую каталитическую трубку для дальнейшего превращения, как схематически показано на фиг.2 и 3.

Пример.

В специфическом воплощении настоящего изобретения питающий синтез-газ под давлением 13,8 МПа предварительно подогревают до 350^oС и вводят в реактор, оснащенный 600 реакторными трубками с внутренним диаметром 80,1 мм. Трубки заполняют в верхней части стандартным железным катализатором синтеза аммиака, а в нижней части - стандартным рутениевым катализатором синтеза аммиака. Синтез-газ распространяется по трубкам и реагирует над катализатором синтеза аммиака. Каталитические трубки окружены оболочкой. В пространстве между оболочкой и трубками циркулирует солевой расплав противотоком к направлению течения газа внутри трубок, находясь в режиме теплообмена с синтезом. Циркуляция солевого расплава служит для удаления тепла, выделяющегося при экзотермической реакции синтеза аммиака. Солевой расплав поступает при 360^oС в охлаждающее пространство, а покидает реактор при 420^oС. Горячий расплав охлаждают за пределами реактора до 360^oС в теплообменнике, в котором тепло, выделенное из солевого расплава, используют для подогрева синтез-газа. Охлажденный солевой расплав затем подают насосом обратно в реактор. Прошедший через катализатор прореагировавший синтез-газ, обогащенный аммиаком, покидает трубки и выводится из реактора. Газ охлаждают путем теплообмена со свежим синтез-газом.

В таблице ниже приведены концентрации компонентов в потоке газа на входе и выходе из реактора, которые получены в вышеупомянутом эксперименте.

Способ по изобретению может быть использован в одной сквозной секции синтеза аммиака так же, как и в более стандартной, типа циклической, секции синтеза аммиака или в комбинации с аналогичными или другими типами аммиачных конверторов в более перспективных циклических секциях синтеза аммиака, например, включающих конверторы с газовым питанием или конверторы с продувочным газом. Получаемый аммиак может быть выделен из обогащенного аммиаком газообразного продукта в секции синтеза путем охлаждения и конденсации аммиака в обогащенном аммиаком вытекающем потоке или при помощи абсорбции. Удаление аммиака может быть проведено в одну или более операций, между и/или после каждой из реакционных зон.

Формула изобретения

1. Способ получения аммиака, включающий операции контактирования аммиачного синтез-газа с катализатором синтеза аммиака, расположенным в форме реакционной зоны в одной или более каталитической трубке, охлаждения реакционной зоны путем теплопроводящей связи с охлаждающим агентом, и вывода обогащенного аммиаком потока, вытекающего из реакционной зоны, отличающийся тем, что охлаждение реакционной зоны осуществляют с обеспечением выполнения способа в изотермических условиях путем осуществления циркуляции охлаждающего агента внутри охлаждающих трубок, каждая из которых окружает концентрически одну каталитическую трубку, при этом охлаждающий агент выбирают из группы, включающей соли, смеси солей и металлы, имеющие температуру плавления ниже температуры в зоне реакции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аммиачный синтез-газ контактирует с катализатором синтеза аммиака, расположенным в двух или более реакционных зонах с промежуточным удалением обогащенного аммиаком вытекающего между реакционными зонами потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогащенный аммиаком вытекающий поток разделяют на поток не подвергшегося превращению аммиачного синтез-газа и поток получаемого аммиака, причем не подвергшийся превращению аммиачный синтез-газ подают повторно в реакционную зону.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что разделение осуществляют путем охлаждения вытекающего потока и конденсации аммиака.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что разделение осуществляют путем адсорбции аммиака, содержащегося в вытекающем потоке.

6. Конвертор для осуществления способа по п.1, включающий по меньшей мере одну каталитическую трубку, приспособленную к приему аммиачного синтез-газа и удерживанию зоны реакции катализатора синтеза аммиака, и по меньшей мере одну охлаждающую трубку, которая концентрически окружает по меньшей мере одну каталитическую трубку и в которой находится охлаждающий агент, выбранный из группы, включающей соли, смеси солей и металлы, имеющие температуру плавления ниже температуры в зоне реакции, и имеющий температуру, поддерживаемую на заданном уровне для обеспечения выполнения осуществляемого способа в изотермических условиях.

7. Конвертор по п. 6, отличающийся тем, что стенки охлаждающей трубки/трубок имеют более низкую механическую прочность, чем стенки каталитической трубки/трубок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4