Способ модернизации установки для производства аммиака с промывкой продувочного потока на основе азота
Изобретение может быть использовано для производства аммиака паровой конверсией углеводорода, такого как природный газ. Углеводородное сырьё (5) и воздух (14) подают в секцию конверсии (1), где получают кондиционный синтез-газ (6). Сжатый кондиционный синтез-газ (6) вовлекают в реакцию в контуре (2) синтеза высокого давления для получения аммиака. Поток (7) продувочного газа из контура (2) синтеза или отходящий газ из секции извлечения продувочного газа, содержащий инертные примеси, вводят в контакт с потоком (10) азота, полученным в процессе разделения воздуха. Поток (10) азота находится в жидком состоянии или представляет собой смесь жидкого и газообразного азота. Газовый поток (8) рециркулируют в контур синтеза (2). Изобретение позволяет увеличить производительность установки и повысить эффективность процесса производства аммиака. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 3 пр.
Область техники
Настоящее изобретение относится к усовершенствованию способа и установки для производства аммиака паровой конверсией углеводорода, такого как природный газ.
Уровень техники
Аммиак производят путем каталитической реакции водорода и азота в контуре синтеза высокого давления. В уровне техники известна подача в этот контур высокого давления кондиционного (добавляемого/свежего) синтез-газа, состоящего, главным образом, из водорода (Н2) и азота (N2) при соответствующем молярном соотношении, полученного паровой конверсией углеводородного сырья, обычно природного газа (метана) или нафты.
Синтез-газ получают в головной секции установки для производства аммиака, включающей, главным образом, установку первичной конверсии, установку вторичной конверсии, конвертер охлаждения/конверсии, секцию отделения СО2, секцию метанирования и компрессор синтез-газа.
Установка первичной конверсии конвертирует пар и сырьевой обессеренный углеводород, например, природный газ или заменитель природного газа (ЗПГ), в смесь монооксида углерода, диоксида углерода и водорода путем пропуска над соответствующим катализатором при давлении, обычно в диапазоне от 15 до 35 бар, и высоких температурах около 800°С. Реакция протекает в ряде катализаторных труб, нагреваемых извне продуктами сгорания топлива.
Упомянутую смесь пропускают в установку вторичной конверсии, которая работает с избытком воздуха, для получения требуемого молярного соотношения H2|N2 (соотношения HN) и, следовательно, принимает дополнительный поток воздуха из соответствующего воздушного компрессора.
Конвертированный газ из установки вторичной конверсии далее обрабатывают в ряде единиц оборудования ниже по потоку для удаления оксидов углерода и получения состава газа, пригодного для синтеза аммиака, то есть имеющего соотношение HN близкое к 3. Обычная схема включает: СО-конвертер(ы), в которых большая часть монооксида углерода, содержащегося в конвертированном газе, каталитически превращается с непрореагировавшим паром в диоксид углерода и водород; колонну промывки СО2, в которой диоксид углерода почти полностью удаляют промывкой газа соответствующим растворителем, таким как водный раствор амина или карбоната калия; реактор метанирования, в котором протекает каталитическая конверсия остаточных оксидов углерода в метан для исключения отравления катализатора синтеза аммиака ниже по потоку.
Затем давление синтез-газа в главном компрессоре синтез-газа увеличивают до рабочего давления в контуре синтеза аммиака, главным образом, в диапазоне от 80 до 300 бар и обычно около 150 бар.
Патент US 5736116 раскрывает способ модернизации путем монтажа установки разделения воздуха, обеспечивающей поток, обогащенный кислородом и азотом. Поток, обогащенный кислородом, используют для обогащения подачи воздуха в установку вторичной конверсии и увеличения содержания водорода в кондиционном газе до значений, по существу превышающих проектные показатели стехиометрии и производительности;
поток, обогащенный азотом, подают в контур синтеза для обеспечения требуемого соотношения водорода к азоту в подаче синтез-газа в конвертеры аммиака и компенсации избытка водорода в кондиционном газе.
Модернизация или увеличение производительности установки для производства аммиака ставит ряд проблем в связи с возросшей скоростью потока. Производительность установки первичной конверсии тесно связана с размером и числом труб в самой установке конверсии; вариант монтажа дополнительных труб, как правило, невозможен или очень ограничен; монтаж дополнительной установки предварительной конверсии возможен, однако это обходится дорого и дает преимущество лишь в 10-15%. Также необходимо обеспечить большую подачу кислорода в установку вторичной конверсии и увеличить производительность действующего воздушного компрессора. Оба варианта монтажа новых внутрикорпусных устройств в действующем воздушном компрессоре или обеспечения дополнительным компрессором, действующим параллельно с имеющимся, также дороги. Монтаж дожимного компрессора, то есть компрессора предварительного сжатия для увеличения давления на впуске главного воздушного компрессора, менее дорог, но так же менее эффективен. К возросшей скорости потока также приходится приспосабливаться путем размещения различного оборудования в головной секции, например, установки удаления CO2, метанатора и т.п., что может потребовать значительных капитальных затрат, если какое-либо оборудование придется модифицировать.
Также критическим параметром и потенциальным узким местом является производительность компрессора синтез-газа. Монтаж любого дожимного компрессора или дополнительного компрессора обычно неприемлем, так как выход из строя любого дополнительного оборудования может подвергнуть риску надежность всей установки и причинить серьезный вред главному компрессору. Обычно предпочитают замену внутрикорпусного устройства компрессора и турбины, однако это вмешательство обходится дорого.
Другой проблемой является возможное накопление инертных газов в контуре синтеза. Этот контур синтеза часто работает в присутствии газообразных соединений или веществ, являющихся инертными, по меньшей мере в реакции синтеза аммиака. Примерами таких соединений являются метан и аргон. Накопление инертных газов означает увеличение скорости потока и снижение выхода конверсии. При увеличении производительности эта проблема, соответственно, становится более существенной. Инертные газы имеют низкую растворимость в аммиаке, который выводят из контура синтеза, и единственным способом исключения их накопления является продувка части синтез-газа. В уровне техники упомянутый продувочный газ обычно обрабатывают в специальных модулях, таких как мембраны или криогенный модуль, для извлечения содержащегося в нем водорода, или указанный продувочный газ используют в качестве топлива.
Все вышеупомянутые проблемы имеют место при модернизации действующей установки, но также при проектировании новой установки с попыткой увеличения общей производительности, что касается размера главных единиц оборудования, таких как установки конверсии и компрессоры.
Уровень техники дает лишь частичное решение вышеуказанных проблем. Предложенное изобретение направлено на обеспечение лучшей и/или более подходящей интеграции установки разделения воздуха с процессом/установкой для производства аммиака.
Сущность изобретения
Первым объектом изобретения является способ производства аммиака, в котором: кондиционный синтез-газ получают паровой конверсией углеводородного сырья, паровая конверсия включает стадии первичной и вторичной конверсии, стадии последующей обработки или конверсии, удаления СО2 и метанирования; кондиционный синтез-газ сжимают с последующей реакцией в контуре синтеза высокого давления с получением аммиака; подачу воздуха подвергают процессу разделения на поток кислорода и по меньшей мере один поток азота, поток кислорода направляют в установку вторичной конверсии для обеспечения дополнительного окислителя, поток азота, полученный в упомянутом процессе разделения воздуха, используют для обработки потока продувочного газа, содержащего инертные примеси, получая таким образом водородсодержащий и по существу свободный от инертных примесей рециркулирующий поток газа, который рециркулируют в контур синтеза.
Указанный продувочный поток в предпочтительных вариантах осуществления изобретения представляет собой продувочный газ, продутый из контура синтеза, или отходящий газ из секции извлечения продувочного газа.
Поток продувочного газа, содержащий инертные примеси, в соответствии с предлагаемым изобретением, контактирует с потоком азота, полученным с помощью процесса разделения воздуха.
Термины "поток кислорода" и "поток азота" в данном описании используются со ссылкой на потоки, имеющие требуемую степень чистоты. Потоки кислорода и азота представляют собой поток, обогащенный кислородом и азотом, соответственно. Предпочтительно, поток кислорода имеет степень чистоты по меньшей мере 95%, однако в любом случае может использоваться менее чистый поток кислорода; поток азота предпочтительно имеет чистоту 99% или более для того, чтобы избежать отравления О2 катализатора, используемого в контуре синтеза аммиака. Процесс разделения воздуха выполняют по меньшей мере в одной установке разделения воздуха, в соответствии по сути с известной техникой.
Поток азота может находиться в жидком или газообразном состоянии или представлять собой смесь жидкого и газообразного азота. Раздельные жидкие и газообразные потоки азота можно также получить из установки разделения воздуха. В соответствии с предлагаемым изобретением, возможны разные варианты осуществления изобретения при использовании жидкого или газообразного потока (ов) азота.
В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения, процесс разделения воздуха обеспечивает подачу первого потока азота, используемого для регулирования соотношения водорода и азота в синтез-газе, и второго потока азота, используемого для обработки продувочного потока, то есть продувки или отходящего газа.
Другой вариант осуществления изобретения основан на том, что подача кислорода, обеспечиваемая упомянутым потоком кислорода в установку вторичной конверсии, обеспечивает избыток водорода в выпуске синтез-газа из головной секции, то есть соотношение HN более 3, что будет компенсировать более низкое соотношение HN (менее 3) в рециркулирующем потоке. В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения, при модернизации, направленной на увеличение производительности действующей установки, количество кислорода, подаваемого в установку вторичной конверсии, больше теоретического количества, соответствующего требуемому увеличению производительности. Другое преимущество состоит в снижении нагрузки действующего воздушного компрессора.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, поток продувочного газа обрабатывают в криогенном процессе, при котором по меньшей мере часть продувочного газа сжижается с получением жидкого потока, обогащенного метаном, и отделением потока рециркулирующего газа, содержащего, главным образом, водород и азот. В соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения, поток рециркулирующего газа подают на всасывание циркуляционного насоса контура синтеза или в главный компрессор синтез-газа.
В некоторых вариантах осуществления изобретения продувочный поток промывают чистым жидким или смешанным потоком жидкого/газообразного азота. Промывка смешанным потоком жидкого/газообразного азота является более эффективным процессом в сравнении со смешением лишь с газообразным азотом, в частности, благодаря меньшей поверхности теплообмена, более низкой температуре синтез-газа на всасывании циркуляционного насоса и/или ступенях сжатия и, следовательно, увеличивает производительность циркуляционного насоса/компрессора. Упомянутый процесс промывки жидким или смешанным жидким/газообразным азотом выполняют при криогенной температуре, то есть в низкотемпературном узле. В других вариантах осуществления изобретения продувочный поток смешивают с потоком газообразного азота перед впуском упомянутого потока в низкотемпературный узел.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют поток жидкого азота из процесса разделения воздуха для противоточной промывки продувочного потока в криогенной аппаратуре, предпочтительно в криогенной колонне. Предпочтительно, промывку продувочного газа проводят в соответствии со следующим процессом. Продувочный или отходящий газ охлаждают до криогенной температуры и затем охлажденный продувочный газ промывают в криогенной колонне потоком, содержащим жидкий азот; промытый продувочный поток отбирают из указанной колонны, газообразную фракцию промытого продувочного потока отделяют с получением промытого продувочного газа, который используют для охлаждения продувочного газа, подаваемого в теплообменник, затем промытый продувочный газ рециркулируют в контур синтеза или компрессор синтез-газа. Жидкую фракцию, отделенную из промытого продувочного потока, рециркулируют в криогенную колонну.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство разделения воздуха (УРВ) обеспечивает подачу потока азота в форме газообразного потока под давлением. Этот поток азота подают в устройство извлечения продувочного газа, где по меньшей мере часть продувочного газа сжижают с помощью криогенного процесса, получая жидкий поток. Этот жидкий поток обогащен метаном, и поэтому газообразный поток, выходящий из устройства извлечения продувки, содержит, главным образом, водород и азот и может быть возвращен в контур синтеза или соответствующий компрессор. Предпочтительно, добавленное количество азота является избыточным в сравнении со стехиометрическим значением.
Вышеуказанные варианты осуществления изобретения, использующие жидкий и газообразный азот, соответственно, можно комбинировать друг с другом. Следовательно, можно также использовать комбинированный раствор жидкого плюс газообразного азота.
Другим альтернативным вариантом осуществления изобретения, известным в уровне техники, является обработка продувочного газа в секции извлечения продувки с получением отходящего газа, называемого также сбросный газ, содержащего некоторое количество остаточного водорода. В соответствии с предлагаемым изобретением, этот отходящий газ обрабатывают азотом для извлечения остаточного водорода.
Продувочный газ перед промывкой/обработкой азотом предпочтительно не содержит аммиак. Аммиак можно удалить, например, противоточной промывкой водой продувочного газа. Затем воду удаляют, используя, например, сушильные аппараты.
Кислородный поток предпочтительно сжимают в соответствующем компрессоре и смешивают с подачей воздуха в установку вторичной конверсии, обеспечивая таким образом подачу обогащенного кислородом воздуха в эту установку.
Другим объектом предлагаемого изобретения является установка, приспособленная к проведению вышеописанного процесса и разных его вариантов. В соответствии с предлагаемым изобретением, установка для производства аммиака включает: контур синтеза и головную секцию для снабжения кондиционным синтез-газом указанного контура синтеза, упомянутая головная секция включает установку первичной конверсии, установку вторичной конверсии и дополнительное оборудование для конверсии, удаления СО2 и метанирования; главный компрессор синтез-газа для подачи кондиционного синтез-газа в контур синтеза; по меньшей мере одно устройство разделения воздуха, обеспечивающее поток кислорода и по меньшей мере один поток азота;
поточную линию, подающую поток кислорода в установку вторичной конверсии или воздушный компрессор, питающий установку вторичной конверсии;
установка отличается включением средств, приспособленных для промывки продувочного газа, содержащего инертные примеси, продутые из контура синтеза, или отходящего газа из секции извлечения продувочного газа, по меньшей мере одним потоком азота для получения водородсодержащего, по существу не содержащего инертные примеси рециркулирующего потока, и поточной линии, предназначенной для рециркуляции этого потока в контур синтеза.
В соответствии с раскрытыми выше вариантами осуществления изобретения, устройство разделения воздуха (УРВ) обеспечивает снабжение азотом в жидкой или газообразной форме или в обеих формах. Установка может включать криогенный аппарат, предпочтительно криогенную колонну, в которой продувочный газ промывают противоточным потоком жидкого азота, полученным в УРВ, для извлечения водородсодержащего газа, не содержащего инертные примеси. В дополнительных вариантах осуществления изобретения установка может включать устройство для извлечения продувочного газа, где его ожижают и куда подают газообразный азот, полученный в УРВ, для извлечения газообразного потока, содержащего водород и азот.
Предлагаемое изобретение также пригодно для модернизации действующей установки для производства аммиака. Дополнительным вариантом осуществления изобретения затем является способ увеличения производительности установки для производства аммиака, включающей контур синтеза аммиака и головную секцию, обеспечивающую подачу потока синтез-газа, содержащего водород и азот, в контур синтеза, причем головная секция включает установки первичной и вторичной конверсии и дополнительное оборудование для конверсии, удаления СО2 и метанирования, а также компрессор синтез-газа для подачи потока синтез-газа в контур синтеза. Способ модернизации включает стадии: обеспечения устройством разделения воздуха, приспособленным для снабжения потоком кислорода и по меньшей мере одним потоком жидкого или газообразного азота; обеспечения средствами подачи потока кислорода в установку вторичной конверсии или воздушный компрессор, питающий установку вторичной конверсии; обеспечения средствами, приспособленными для использования потока азота для промывки продувочного газа, отбираемого из контура синтеза, или отходящего газа, выделяющегося при обработке продувочного газа, с получением водородсодержащего, по существу свободного от инертных примесей рециркулирующего потока для рециркуляции этого потока в контур синтеза.
При модернизации действующей установки можно реализовать раскрытые выше варианты осуществления изобретения в соответствии с потребностями и/или характерными особенностями старой установки для производства аммиака. Например, если установка уже обеспечена секцией извлечения продувки (например, мембранами или другой системой), можно продуть из контура больше газа путем обработки дополнительной продувки азотом из УРВ.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения количество азота из УРВ, подаваемого в установку вторичной конверсии, больше, чем теоретическое количество, соответствующее увеличению производительности всей установки, для снижения нагрузки действующего воздушного компрессора.
Основное преимущество предлагаемого изобретения заключается в использовании потока азота из УРВ для увеличения эффективности процесса путем извлечения водорода продувочного газа не только для регулирования соотношения HN сырьевого синтез-газа.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить производительность установки, уменьшает возрастание скорости потока во всей головной секции и связанные с этим проблемы, включая падение давления и нагрузку секции удаления СО2 и метанирования. Головная секция получает лишь чистый поток кислорода, необходимый для увеличения производительности конверсии, тогда как поток азота, который должен проходить через головную секцию по существу как инертный газ, соответственно подают лишь в секцию извлечения продувочного газа, где он требуется как один из реагентов для производства аммиака и для установления требуемого соотношения HN кондиционного синтез-газа.
Использование жидкого азота для извлечения водорода, содержащегося в продувочном газе, вместо ввода или непосредственного использования в головной секции, имеет преимущество, которое заключается в значительном снижении капитальных затрат; фактически эту промывку/обработку выполняют в отношении продувочного газа, скорость потока которого, как правило, в десять раз меньше, чем скорость потока кондиционного синтез-газа, подаваемого в контур синтеза. Другое преимущество заключается в том, что для промывки потока, а именно продувочного или отходящего газа, используют азот, содержащий более высокое количество инертных примесей, чем кондиционный синтез-газ, и поэтому промывка продувки азотом является высокоэффективной.
Подача кислорода в установку вторичной конверсии имеет дополнительные преимущества. Нагрузка воздушного компрессора, питающего установку вторичной конверсии, снижается, так как часть кислорода, необходимого для установки вторичной конверсии, теперь обеспечивается УРВ. Это означает, что производительность установки можно увеличить при данных размере и пропускной способности воздушного компрессора без необходимости в более крупном и дорогом компрессоре. При модернизации действующей установки предлагаемое изобретение обеспечивает дополнительную пропускную способность/удобство и простоту использования действующего воздушного компрессора в случае ухудшения внешних условий, увеличение производительности, возможность использования резервного сжатого воздуха в другом месте установки для производства аммиака. Питание действующего воздушного компрессора потоком, обогащенным кислородом, позволяет добиться большей производительности конверсии при той же скорости потока на впуске компрессора, то есть без необходимости модификации самого компрессора.
Подача дополнительного кислорода в установку вторичной конверсии также имеет преимущество, заключающееся в значительном увеличении производительности конверсии без модификации установки первичной конверсии, находящейся выше по потоку. Это является важным преимуществом потому что, как утверждалось выше, увеличение производительности установки первичной конверсии, как правило, невозможно или обходится слишком дорого.
Путем разделения основных компонентов воздуха (кислород и азот) предлагаемое изобретение позволяет добавлять кислород и азот в оптимальных точках схемы установки. При необходимости можно увеличить количество кислорода, а именно на впуске установки вторичной конверсии, а азот подают лишь в случае необходимости, то есть в контур синтеза аммиака.
Следует отметить, что скорость потока и давление на впуске главного компрессора синтез-газа по существу остаются неизменными, даже при увеличении производительности установки. Предлагаемое изобретение позволяет также снизить нагрузку действующего оборудования, главным образом, упомянутого главного компрессора синтез-газа и воздушного компрессора простым увеличением нагрузки УРВ, обеспечивая дополнительное "пространство" для упомянутых устройств; кроме того, уменьшение нагрузки воздушного компрессора позволяет снизить падение давления в головной секции из-за азота, ранее подаваемого компрессором.
Парциальное давление CO2 в синтез-газе возрастает вследствие меньшей концентрации азота. Это означает, что секция удаления СО2 может работать более эффективно, и что предлагаемое изобретение способствует также решению проблемы увеличения производительности секции удаления СО2.
Суммируя вышеизложенное, можно констатировать, что предлагаемое изобретение обеспечивает эффективное и рентабельное увеличение производительности действующей установки для производств аммиака или увеличение пропускной способности и эффективности новой установки при данных капитальных затратах, то есть размере главных единиц оборудования, таких как установки конверсии, воздушный компрессор и компрессор синтез-газа, установки удаления СО2 и т.п. В частности, предлагаемое изобретение обеспечивает стратегическое использование кислорода и азота из устройства разделения воздуха.
Преимущества будут более очевидны при следующем детальном описании предпочтительного варианта осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - блок-диаграмма установки для производства аммиака в соответствии с предлагаемым изобретением или модернизированной в соответствии с предлагаемым изобретением,
на фиг.2 - упрощенная схема варианта осуществления изобретения с использованием азота для промывки продувочного газа в колонне,
на фиг.3 - упрощенная схема другого варианта осуществления изобретения с использованием азота для промывки отходящего газа,
на фиг.4 - схема дополнительного варианта осуществления изобретения с использованием газообразного азота для обработки продувочного газа.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Как видно из фиг.1, традиционная установка для производства аммиака включает, в основном, головную секцию 1 конверсии, работающую под давлением около 25-35 бар, контур синтеза 2, работающий под более высоким давлением, например, 150 бар; устройство 3 разделения воздуха (УРВ) и устройство 4 извлечения продувки.
В секцию конверсии 1 подают соответствующее углеводородное сырье, такое как природный газ 5 и воздух 14 из воздушного компрессора 15. Кондиционный синтез-газ 6 из секции 1 конверсии поступает в контур 2 через главный компрессор 11 синтез-газа. Головная секция 1 и контур 2 известны как таковые и далее не будут описаны.
В контуре синтез-газа 2 получают аммиак 12 и продувочный газ 7 из этого контура подают в устройство 4 извлечения продувки. Продувочный газ 7 содержит водород, азот и некоторое количество инертных примесей, главным образом метан и аргон. В устройстве 4 извлечения продувки извлекают водород, содержащийся в продувочном газе 7, обеспечивая контур 2 рециркулирующим потоком 8, содержащим водород, и по существу не содержащим инертные примеси. Указанный рециркулирующий поток 8 возвращают обратно в контур 2, подавая его, например, на промежуточную ступень главного компрессора 11.
УРВ 3 принимает подачу воздуха 11 и снабжает кислородом 9 установку вторичной конверсии, расположенную в головной секции 1, и жидким и/или газообразным азотом 10 устройство 4 извлечения продувочного газа. Устройство 4 извлечения продувки включает, например, промывную колонну, в которой промывают продувочный газ 7 жидким азотом 10 для получения рециркулирующего потока 8. УРВ 3 необязательно поставляет дополнительный поток 16 азота, который используют для регулирования соотношения водорода и азота в синтез-газе 6.
На фиг.2 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения для криогенной обработки продувочного газа. Продувочный газ 100, содержащий 60-70% водорода, около 20% азота и 5-6% метана и аргона, отбирают из контура синтеза. Указанный газ 100 охлаждают в соответствующем теплообменнике 150 до криогенной температуры, такой как - 150°С. Охлажденный продувочный газ 101 подают в криогенную колонну 120, где его промывают жидким азотом 105 из УРВ. В примере продувочный газ промывают потоком 112, содержащим жидкий азот 105, и дополнительным жидким потоком 104, содержащим, главным образом, азот и водород, который рециркулируют из сепаратора 104.
Метан и частично аргон, содержащиеся в газе 101, удаляют в колонне 120. Сверху колонны 120 отводят продувочный газ 102, по существу не содержащий метан, тогда как жидкий поток 110, содержащий, главным образом, азот, конденсат метана и аргон, отбирают снизу той же колонны 120. Жидкость 110 подвергают мгновенному испарению в клапане 121, получая поток 106 со сброшенным давлением.
Упомянутый газ 102, не содержащий метан, по меньшей мере частично конденсируют в соответствующем теплообменнике 130 путем теплообмена с потоком 106 со сброшенным давлением. Выпуск конденсата 113 из конденсатора 130 обрабатывают в сепараторе 140 жидкость/газ с получением газообразного потока 103 и жидкого потока 104. Газообразный поток 103 охлаждает теплообменник 110 и выходит как повторно нагретый поток 108 до температуры, например, около - 40°С. Этот поток 108 по существу свободен от метана и содержит меньшее количество аргона (1-2%), чем впускной продувочный газ 100, после чего его можно рециркулировать как реагент (кондиционный синтез-газ) для контура синтеза аммиака.
Жидкий поток 104 предпочтительно рециркулируют в промывную колонну 120, смешивая, например, с жидким азотом 105, как показано на фиг.2.
Остаточный поток 106, обогащенный метаном, по меньшей мере частично испаряют в теплообменнике 130, получая таким образом газообразный поток 109, который повторно нагревают в теплообменнике 150, обеспечивая таким путем дополнительный источник охлаждения для поступающего продувочного газа 100. Повторным нагревом потока 106, обогащенного метаном, получают топливный газ 107 на выходе из теплообменника 150, который рециркулируют в систему топливного газа.
Главными единицами оборудования, образующими низкотемпературный узел для обработки продувочного газа 100, являются колонна 120, теплообменник 130, сепаратор 140 и теплообменник 150. Вспомогательное оборудование, такое как клапаны, насосы, экспандеры и т.п. не показано.
Альтернативный вариант осуществления изобретения показан на фиг.3. Продувочный газ 100 предварительно обрабатывают в устройстве 160 извлечения продувочного газа с извлечением части содержащегося в нем водорода. Из упомянутого устройства извлечения продувочного газа отводят отходящий газ 100а, содержащий азот, метан, аргон и остаточный водород, в количестве, например, около 15%. Остаточный водород далее извлекают обработкой отходящего газа 100а вышеописанным способом со ссылкой на фиг.2.
В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, используют поток газообразного азота. Газообразный азот 205 смешивают с продувочным газом 100 перед подачей в «низкотемпературный узел», то есть перед подачей газа 100 в часть установки при криогенной температуре. Полученный таким образом поток ЮОЬ продувочного газа, обогащенного азотом, охлаждают затем в теплообменнике 150 и подают в промывную колонну 120, где его промывают потоком 105 жидкого азота. Другие подробности вариантов осуществления изобретения, представленных на фиг.3 и 4, аналогичны таковым, раскрытым со ссылкой на фиг.2.
Пример 1
Цифры, приведенные в нижеследующем примере, относятся к фиг.1. Традиционную установку для производства аммиака модернизируют путем монтажа УРВ 3, обеспечивая поток 9 кислорода и поток 10, азота, используемый для промывки продувочного газа. Следует отметить следующее: выход аммиака (поток 12) увеличился на 14%, тогда как подача воздуха 14 в воздушный компрессор снизилась на 11%; однако, общая подача кислорода в установку вторичной конверсии возросла примерно на 37%, так как воздух 14 содержит 21% кислорода, тогда как поток 9 содержит 95% кислорода. Таблица 1 раскрывает подробный состав потоков, показанных на фиг.1 (модернизированный вариант).
| Таблица 1а | |||||
| (базовый вариант) | |||||
| Поток | 5 | 9 | 14 | 12 | |
| Паровая фракция (моль) | 1,00 | - | 1,00 | 0,08 | |
| Температура | °F | 76,5 | - | 333,5 | 3,0 |
| Давление | Psig | 630,80 | - | 493,10 | 17,26 |
| Молярный поток | фунтмоль/ч | 4185,0 | - | 5840,0 | 8791,3 |
| Массовый поток | фунт/ч | 69206,8 | - | 169153,9 | 149716,3 |
| Таблица 1b | |||||
| (модернизированный вариант) | |||||
| Поток | 5 | 9 | 14 | 12 | |
| Паровая фракция (моль) | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 0 | |
| Температура | °F | 72,8 | 104,0 | 330,4 | 3,0 |
| Давление | Psig | 645,00 | 522,14 | 508,15 | 17,26 |
| Молярный поток | фунтмоль/ч | 4953,0 | 618,0 | 5200,0 | 10085,1 |
| Массовый поток | фунт/ч | 81907,2 | 19947,8 | 150616,5 | 171750,8 |
| Таблица 1с | ||||||
| Поток | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Паровая фракция(моль) | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | |
| Температура | °F | 72,8 | 45,0 | -15,4 | -73,9 | 104,0 |
| Давление | Psig | 645,00 | 355,60 | 1986,67 | 899,00 | 522,14 |
| Молярный поток | фунтмоль/ч | 4953,0 | 22376,8 | 1440,0 | 1316,4 | 618,0 |
| Поток | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Массовый поток | фунт/ч | 81907,2 | 192860,8 | 14854,0 | 12692,2 | 19947,8 |
| Состав | %моль | |||||
| Н2 | - | 74,495% | 66,144% | 71,248% | - | |
| N2 | 3,403% | 24,557% | 19,474% | 27,489% | 1,000% | |
| NH3 | - | - | 1,869% | - | - | |
| СН4 | 95,991% | 0,499% | 6,000% | - | - | |
| Аr | - | 0,373% | 5,522% | 1,263% | 4,000% | |
| Не | 0,121% | 0,035% | 0,991% | - | - | |
| Н2O | - | 0,042% | - | - | - | |
| O2 | - | - | - | - | 95,000% | |
| СO2 | 0,118% | - | - | - | - |
| Таблица 1с | |||||
| (продолжение) | |||||
| Поток | 10 | 12 | 14 | 16 | |
| Паровая фракция (моль) | 0,00 | 0,06 | 1,00 | 1,00 | |
| Температура | °F | -240,0 | 3,0 | 330,4 | 122,0 |
| Давление | Psig | 900,00 | 17,26 | 508,15 | 900,00 |
| Молярный поток | фунтмоль/ч | 198,4 | 10085,1 | 5200,0 | 837,7 |
| Массовый поток | фунт/ч | 5558,2 | 171750,8 | 150616,5 | 23472,8 |
| Состав | %моль | ||||
| Н2 | - | - | - | - | |
| N2 | 99,950% | - | 78,086% | 99,950% | |
| МН3 | - | 99,968% | - | - | |
| СН4 | - | 0,007% | - | - | |
| Аr | 0,050% | - | 0,934% | 0,050% | |
| Не | - | - | - | - | |
| Н2O | - | 0,025% | - | - | |
| O2 | - | - | 20,948% | - |
Пример 2
Следующая таблица 2 относится к установке, показанной на фиг.2, где продувочный газ 100, содержащий около 66% водорода и 21,5% азота плюс 6,4% метана и 5,8% аргона, обрабатывают в криогенной секции с получением рециркулирующего потока 108 без метана, содержащего около 70% водорода и 28% азота.
| Таблица 2 | ||||||
| Пар | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | |
| Паровая фракция (моль) | 1,00 | 0,95 | 1,00 | 1,00 | 0,00 | |
| Температура | °F | 14,0 | -239,7 | -266,7 | -277,0 | -277,0 |
| Давление | psig | 1976,67 | 1975,67 | 900,00 | 900,00 | 900,00 |
| Пар | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | |
| Молярный расход | фунтмоль/ч | 1384,1 | 1384,1 | 1542,8 | 1278,1 | 264,7 |
| Массовый расход | фунт/ч | 14884,8 | 14884,8 | 19336,3 | 12648,4 | 6687,9 |
| Состав | %мол | |||||
| Н2 | 66,092% | 66,092% | 60,446% | 70,245% | 13,139% | |
| N2 | 21,586% | 21,586% | 37,589% | 28,541% | 81,272% | |
| СН4 | 6,473% | 6,473% | 0,001% | - | 0,004% | |
| Аr | 5,848% | 5,848% | 1,964% | 1,214% | 5,585% | |
| Пар | 105 | 106 | 107 | 108 | ||
| Паровая фракция (мол)) | 0,00 | 0,26 | 1,00 | 1,00 | ||
| Температура | °F | -240,0 | -294,4 | -22,0 | -44,0 | |
| Дапвление | psig | 900,00 | 29,01 | 28,01 | 899,00 | |
| Молярный расход | фунтмоль/ч | 198,4 | 304,5 | 304,5 | 1278,1 | |
| Массовый расход | фунт/ч | 5558,2 | 7794,9 | 7794,9 | 12648,4 | |
| Состав | %мол | |||||
| Н2 | - | 5,584% | 5,584% | 70,245% | ||
| N2 | 100,000% | 43,504% | 43,504% | 28,541% | ||
| СН4 | - | 29,427% | 29,427% | - | ||
| Аr | - | 21,485% | 21,485% | 1,214% |
Пример 3
Нижеследующая таблица 3 относится к установке, показанной на фиг.3, где отходящий газ 100а, содержащий около 15% водорода и 48% азота, обрабатывают в криогенной секции. Полученный рециркулирующий поток 108 содержит около 42% водорода и 56% азота.
| Таблица 3 | ||||||
| Пар | 100а | 101 | 102 | 103 | 104 | |
| Паровая фракция (моль) | 1,00 | 0,97 | 1,00 | 1,00 | 0,00 | |
| Температура | °F | 122,0 | -194,6 | -248,7 | -264,3 | -264,3 |
| Давление | psig | 901,45 | 900,00 | 435,11 | 435,11 | 435,11 |
| Молярный расход | фунтмоль/ч | 557,0 | 557,0 | 553.9 | 170,0 | 383,9 |
| Массовый расход | фунт/ч | 12585,5 | 12585,5 | 12962,9 | 2915,1 | 10047,8 |
| Состав | %mol | |||||
| H2 | 14,542% | 14,542% | 18,758% | 42,334% | 8,319% | |
| N2 | 48,474% | 48,474% | 79,002% | 56,492% | 88,970% | |
| СН4 | 25,314% | 25,314% | 0,009% | 0,002% | 0,012% | |
| Аr | 11,670% | 11,670% | 2,231% | 1,172% | 2,699% |
| Пар | 105 | 106 | 107 | 108 | |
| Паровая фракция(моль) | 0,00 | 0,43 | 1,00 | 1,00 | |
| Температура | °F | -234,4 | -288,5 | 96,7 | 50,0 |
| Давление | psig | 454,33 | 26,11 | 23,21 | 433,66 |
| Молярный поток | фунтмоль/ч | 44,1 | 431,1 | 431,1 | 170,0 |
| Массовый поток | фунт/ч | 1235,1 | 10906,9 | 10906,9 | 2915,1 |
| Состав | %mol | ||||
| Н2 | - | 2,096% | 2,096% | 42,334% | |
| N2 | 100,000% | 50,582% | 50,582% | 56,492% | |
| СН4 | 0,000% | 32,704% | 32,704% | 0,002% | |
| Аr | 0,000% | 14,618% | 14,618% | 1,172% |
В вышеприведенных таблицах давление дается в фунт-силе на квадратный дюйм относительно атмосферы (psig). Перевод в единицы СИ можно сделать с помощью уравнения 1 psi=6894,76 Па. Массовый расход дан в фунт/ч (фунты в час), где 1 lb=0,4536 кг.
1. Способ производства аммиака, в котором получают кондиционный синтез-газ (6) паровой конверсией углеводородного сырья (5), включающей стадии первичной конверсии и вторичной конверсии и дополнительные стадии обработки продуктов конверсии, удаления СО2 и метанирования; сжимают кондиционный синтез-газ и вовлекают в реакцию в контуре (2) синтеза высокого давления для получения аммиака; подвергают подаваемый воздух (17) процессу разделения на поток кислорода (9) и по меньшей мере один поток азота (10, 16); обеспечивают за счет этого потока кислорода дополнительный окислитель для установки вторичной конверсии;
отличающийся тем, что поток (7) продувочного газа из контура (2) синтеза или отходящий газ из секции (160) извлечения продувочного газа, содержащий инертные примеси, вводят в контакт с потоком (10) азота, полученным в процессе разделения воздуха и находящимся в жидком состоянии или представляющим собой смесь жидкого и газообразного азота, с получением водородсодержащего и по существу не содержащего инертные примеси рециркулирующего газового потока (8), который рециркулируют в контур синтеза.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток (7) продувочного газа контактирует с потоком азота при криогенной температуре, в результате чего по меньшей мере часть продувочного газа (7) ожижается с получением потока (107), обогащенного метаном, и отделением рециркулирующего газового потока (108), содержащего, главным образом, водород и азот.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутый поток (100) продувочного газа промывают потоком жидкого азота или смешанным потоком газообразного/жидкого азота посредством процесса противоточной промывки в криогенном устройстве (120).
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что продувочный газ (100) или отходящий газ (100а) охлаждают до криогенной температуры в теплообменнике (150), получая охлажденный продувочный газ (101), который затем промывают в криогенной колонне (120) потоком (112), содержащим жидкий азот (105); отбирают из этой колонны промытый продувочный поток (102); газообразную фракцию (103) промытого продувочного потока отделяют для получения промытого продувочного газа, который используют для охлаждения теплообменника (150) путем теплообмена с поступающим продувочным газом (100); промытый продувочный газ (108) затем рециркулируют в контур синтеза.
5. Способ по п. 4, в котором продувочный газ (100) или отходящий газ (100а) смешивают с газообразным азотом (205) перед его охлаждением до криогенной температуры в теплообменнике (150).
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток азота в виде газообразного потока под давлением подают в устройство извлечения продувочного газа, где в криогенном процессе по меньшей мере часть продувочного газа ожижается с получением жидкого потока, обогащенного метаном; а газообразный поток, выходящий из устройства извлечения продувки, содержащий главным образом водород и азот, рециркулируют обратно в контур синтеза или соответствующий компрессор.
7. Установка для производства аммиака, включающая контур (2) синтеза аммиака и головную секцию (1) для обеспечения подачи кондиционного синтез-газа в упомянутый контур синтеза, включающую установку первичной конверсии, установку вторичной конверсии и дополнительное оборудование для конверсии, удаления СО2 и метанирования, а также главный компрессор синтез-газа для подачи кондиционного синтез-газа в контур синтеза; и установка дополнительно включает по меньшей мере одно устройство (3) разделения воздуха, обеспечивающее поток (9) кислорода и по меньшей мере один поток азота, и поточную линию для подачи потока кислорода в установку вторичной конверсии или воздушный компрессор, питающий установку вторичной конверсии,
отличающаяся тем, что она включает:
устройство (4) извлечения продувки, содержащее по меньшей мере криогенное промывное устройство для промывки продувочного газа (7), содержащего инертные примеси, продутые из контура синтеза, или отходящего газа из секции извлечения продувочного газа потоком (10) азота из устройства (3) разделения воздуха с получением по существу свободного от инертных примесей рециркулирующего потока (8), причем этот поток азота находится в жидком состоянии или представляет собой смесь жидкого и газообразного азота, и
поточную линию для подачи рециркулирующего потока (8) в контур синтеза.
8. Установка по п. 7, в которой устройство (4) извлечения продувки включает по меньшей мере криогенную промывную колонну (120), в которой поток продувочного газа или отходящего газа промывают противотоком жидким азотом (105) или смесью газообразного/жидкого азота из устройства разделения воздуха.
9. Установка по п. 7 или 8, включающая низкотемпературный узел, в котором промывают поток (100) продувочного газа или поток (100а) отходящего газа азотсодержащим потоком, и дополнительно включающая линию (205) для добавки газообразного азота к продувочному или отходящему газу выше по потоку от низкотемпературного узла.
10. Способ модернизации установки для производства аммиака, включающей контур (2) синтеза аммиака и головную секцию (1) для обеспечения подачи потока синтез-газа, содержащего водород и азот, в контур синтеза, содержащую установку первичной конверсии, установку вторичной конверсии и дополнительное оборудование для конверсии, удаления СО2 и метанирования и компрессор (11) синтез-газа для подачи потока синтез-газа в контур синтеза,
включающий стадии:
монтажа устройства (3) разделения воздуха, приспособленного для обеспечения потока (9) кислорода и по меньшей мере одного потока (10, 16) жидкого или газообразного азота;
подачи потока кислорода (9) в установку вторичной конверсии или в воздушный компрессор, питающий установку вторичной конверсии;
обеспечения устройства (4) извлечения продувки, в котором поток (10) азота из устройства (3) разделения воздуха используют для промывки продувочного газа (7), отбираемого из контура синтеза, или отходящего газа, выделяющегося при обработке продувочного газа, причем поток азота находится в жидком состоянии или представляет собой смесь жидкого и газообразного азота, с получением таким образом по существу не содержащего инертные примеси рециркулирующего потока (8) и подачей его в контур синтеза.
11. Способ по п. 10, включающий обеспечение по меньшей мере одной криогенной промывной колонны (120), где поток продувочного газа или отходящего газа промывают противотоком жидким азотом (105) или смесью газообразного/жидкого азота из устройства разделения воздуха.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что количество кислорода, полученного в устройстве разделения воздуха и подаваемого в установку вторичной конверсии, больше, чем теоретическое количество, соответствующее увеличению производительности всей установки, для снижения нагрузки на действующий воздушный компрессор.
