CN107055570B - 低压合成氨设备及低压合成氨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及技术领域，具体涉及一种低压合成氨设备及一种低压合成氨方法。该设备包括：合成氨反应器；用于压缩反应气体和/或循环气体的气体压缩装置；分别与合成氨反应器与所述气体压缩装置连接的用于对气体进行热交换的热交换器；以及与热交换器连接的氨冷却分离装置。本发明的低压合成氨设备中氨合成反应器分为多个反应区，反应气体从上一个反应区的出口进入下一个反应区入口之前进行热交换降温处理，增加合成氨的效率；本发明的设备易于制造、施工简单、操作容易、装置布置紧凑，减少占地面积；本发明的设备设计合理，能够减少管道的数量，降低成本。

Description

低压合成氨设备及低压合成氨方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体涉及一种低压合成氨设备及一种低压合成氨方法。

背景技术

氨合成是一项高能耗的化工生产装置，据不完全统计，不包括在建装置，全国有650多座传统氨合成工厂，传统氨合成装置运行压力为12.0MPa g～32.0MPa g，传统铁基催化剂的活性温度一般在400℃以上，受限于设备材质、结构设计等因素，氨合成反应器的出口温度一般控制在450℃以内，上游净化后的H₂/N₂=3，在铁催化剂上生成氨，其主要化学反应如下：

H₂+N₂ ===NH₃-46.11 kJ/mol。

氨合成反应是放热反应，降低反应区温度有利氨合成反应向右推进，通常采用催化剂床层分成几个反应区，采用在区间设置换热器的方案移走反应热量。但催化剂的起活温度一般在350℃以上，完全激发催化剂活性得400℃以上，另外随着反应进行，氨浓度增加，反应速度变慢。第一反应区因为进气氨浓度较低具有较大的温升空间，因此设置第一反应区入口温度为350℃左右，其他各反应区入口气体温度控制在390～400℃为宜。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的低压合成氨设备及低压合成氨方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种低压合成氨设备及一种低压合成氨方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种低压合成氨设备，与现有技术相比，其不同之处在于，该设备包括：

具有入口和出口的合成氨反应器，其在入口和出口之间包括在纵向方向上依次间隔设置的多个反应区，每个反应区分别具有反应区入口和反应区出口，反应气体从上一个反应区的出口进入下一个反应区入口之前进行热交换降温处理，其中，位于顶端的第一个反应区填充有铁基催化剂，其它反应区填充有钌基催化剂；

用于压缩反应气体和/或循环气体的气体压缩装置；

分别与所述合成氨反应器与所述气体压缩装置连接的用于对气体进行热交换的热交换器；以及

与所述热交换器连接的氨冷却分离装置。

优选地，所述合成氨反应器的出口和所述热交换器之间还设有余热回收装置。

优选地，所述合成氨反应器在入口和出口之间依次包括间隔设置的第一反应区、第二反应区、第三反应区和第四反应区，合成氨反应器还包括一从第一反应区顶部到第三反应区出口贯穿设置的中心管，第四反应区至反应器出口的中心集气管。

优选地，所述热交换器通过管道装置与所述合成氨反应器连接，所述管道装置包括设于热交换器和合成氨反应器底部之间的第一管道、设于热交换器和第二反应区入口之间的第二管道、设于热交换器和第二反应区出口之间的第三管道、和设于热交换器和第三反应区出口之间的第四管道。

优选地，所述氨冷却分离装置包括：

与热交换器连接的水冷器；

与水冷器和气体压缩装置均连接的冷交换器；

与冷交换器连接的第一氨冷凝器；

与第一氨冷凝器连接的第二氨冷凝器；

与第二氨冷凝器和冷交换器均连接的第一氨分离器；

与第一氨分离器和气体压缩装置均连接的第二氨分离器；以及

与第一氨冷凝器和第二氨分离器均连接的产品氨换热器。

优选地，所述热交换器和所述余热回收装置的出口之间设有第五管道。

本发明还提供了一种低压合成氨的方法，包括如下步骤：

将氮气和氢气组成的合成气体进行压缩的步骤；

将压缩后的合成气体进行加热的步骤；

将加热后的合成气体依次在铁基催化剂和钌基催化剂的催化下合成氨的步骤；

将氨气进行余热回收的步骤；

将氨气进行冷却和分离的步骤。

优选地，所述合成氨步骤包括依次进行的四个合成氨阶段，相邻两个阶段之间对反应后的气体进行热交换以降低气体温度。

优选地，所述合成气体被压缩至9.0～10.0MPa(G)。

优选地，每个阶段的反应温度为310～430℃。

本发明的低压合成氨设备中氨合成反应器分为多个反应区，反应气体从上一个反应区的出口进入下一个反应区入口之前进行热交换降温处理，增加合成氨的效率；本发明的设备易于制造、施工简单、操作容易、装置布置紧凑，减少占地面积；本发明的设备设计合理，能够减少管道的数量，降低成本。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的低压合成氨设备的结构示意图。

图2是本发明一个优选实施例的低压合成氨设备中合成氨反应器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

图1示出了一种低压合成氨设备，包括：合成氨反应器10、气体压缩装置20、热交换器30、余热回收装置40和氨冷却分离装置50。

其中，合成氨反应器10具有入口和出口。气体压缩装置20用于压缩反应气体和/或循环气体。热交换器30分别与合成氨反应器10与气体压缩装置20连接，用于对气体进行热交换。氨冷却分离装置50与所述热交换器30连接。余热回收装置40设于合成氨反应器10的出口和热交换器30之间。该低压合成氨设备还包括一个与合成氨反应器10入口连通的开工加热炉60。

合成氨反应器10在其在入口和出口之间包括在纵向方向上依次间隔设置的多个反应区，每个反应区分别具有反应区入口和反应区出口，反应气体从上一个反应区的出口进入下一个反应区入口之前进行热交换降温处理。具体地，在一个优选实施方式中，合成氨反应器10在入口和出口之间依次包括间隔设置的第一反应区101、第二反应区102、第三反应区103和第四反应区104，合成氨反应器10还包括一个从第一反应区101顶部到第三反应区103出口贯穿设置的中心管108。第一反应区101具有入口101a和出口101b，第二反应区102具有入口102a和出口102b，第三反应区103具有入口103a和出口103b，第四反应区104具有入口104a和出口104b，其中，第一反应区101填充有铁基催化剂，第二反应区102、第三反应区103和第四反应区104均填充有钌基催化剂。

热交换器30通过管道装置与所述合成氨反应器10连接，所述管道装置包括设于热交换器30和合成氨反应器10底部的、与第一反应区101入口101a处连通的第一管道701、设于热交换器20和第一反应区101入口101a之间进行温度调节的第二管道702、设于热交换器30和第二反应区102出口102b之间进行温度调节的第三管道703、和设于热交换器30和第三反应区103出口103b之间进行温度调节的第四管道704。具体地，整个合成氨反应器10在结构上分内件和外筒，其中反应所用的催化剂和反应器内置的换热器均设于内件上，与外筒分开，第一管道701是主进气管道，从第一管道701进气后，气体沿着外筒内壁进入反应器10上部，后沿上部的中心管108从上至下一直进入反应器10最底部的换热器管侧换热，大部分气体由反应器10最底部的换热器管侧换热后上升至反应器10上部换热器管侧，再进入第一反应区101，再依次轴向进入第二反应区102、第三反应区103、第四反应区104，其中气体在轴向向下移动的过程中，同时可以径向进入反应器10上部两个换热器的壳程，催化剂床层的两个换热器壳程采用多空的鱼鳞板结构，气体可以径向进入。因此，第三反应区103、第四反应区104之间没有直接设置管道接口，但是气体可以到达该区域，由轴向催化剂直接进入第四反应区104。第四管道704连通至第二反应区102底部，可以到达第二反应区102和第三反应区103之间的区域。第三管道703连通至第一反应区101和第二反应区102之间的区域，第二管道702连通至第一反应区101内。

余热回收装置40包括相互连接的中压废热锅炉401和锅炉给水预热器402。热交换器30和余热回收装置40（中压废热锅炉401）的出口之间设有第五管道705。第一反应区101和开工加热炉60之间设有第六管道706，用于反应初始阶段。

氨冷却分离装置50包括：与热交换器30连接的水冷器501；与水冷器501和气体压缩装置20均连接的冷交换器502；与冷交换器502连接的第一氨冷凝器503；与第一氨冷凝器503连接的第二氨冷凝器504；与第二氨冷凝器504和冷交换器502均连接的第一氨分离器505；与第一氨分离器505和气体压缩装置20均连接的第二氨分离器506；以及与第一氨冷凝器503和第二氨分离器506均连接的产品氨换热器507。

本发明的目的在于提供一种钌基催化剂的低压氨合成工艺方法以满足国内传统中大型氨合成装置节能减排要求。整个单元装置无废气排放。本发明工艺方法具有生产装置占地面积少，工艺流程简单，便于操作，投资省等特点。

为达到上述目的的钌基催化剂的低压氨合成工艺,原料H₂、N₂需经过净化处理后H₂/N₂=3.0（分子比）。

为达到上述目的选择钌基氨合成催化剂（催化剂不属于本发明的范围），总S≤0.1ppm、总O≤20ppm（以原子计），其他催化剂毒物不可检测出。以满足新型氨合成催化剂的要求。

为达到上述目的，所控制氨合成反应器的操作温度在140～430℃。从化学平衡与反应速率考虑，提高温度反应速率增加，同时催化的活性也增加。但提高温度对反应器及催化剂的使用寿命有严重影响，所需管道、设备材质要求得提高，增加投资。各反应区出口气体实际温度比出口气体组成所对应的平衡温度要低，这两个温度之差称为“平衡温距”，从化学平衡上考虑，温度的增加不利于正反应进行；本发明按反应器中轴向分为3～4个反应区，另外利用传统铁基催化剂抗毒性强、耐高温、活性温度范围广的特点，第一反应区装填传统铁基催化剂，其他反应区装填新型钌基催化剂；控制的平衡温距为15℃～30℃；所控制的合成反应操作压力为9.0～10.0 MPa(G)。从化学平衡的角度考虑，增加压力对正反应有利，压力越高，出口气体平衡组成中NH3含量越高，压力过高，会引起催化剂床层粉化、板结，反应器压力降增加。为保证催化剂活性、寿命，满足大规模生产的需要，降低投资，反应器操作压力控制在10.0MPa(G)以内为宜。

本发明还相应地提供了应用上述低压合成氨设备进行低压合成氨的方法，该方法包括如下步骤：

将氮气和氢气组成的合成气体进行压缩的步骤；

将压缩后的合成气体进行加热的步骤；

将加热后的合成气体在钌基催化剂的催化下合成氨的步骤；

将氨气进行余热回收的步骤；

将氨气进行冷却和分离的步骤。

其中，所述合成氨步骤包括依次进行的四个合成氨阶段，相邻两个阶段之间对反应后的气体进行热交换以降低气体温度。所述合成气体被压缩至9.0～10.0MPa(G)。每个阶段的反应温度为310～430℃。

钌基催化剂的低压氨合成工艺采用不同于铁基催化剂的具有低温、低压条件下高活性特点的钌基催化剂，将合成回路的压力降低至10.0MPa(G)以下，各反应区的进气温度控制在310～370℃，反应器出口温度控制在400～430℃，从而大大的减少了氨合成装置的设备投资和能耗。

采用本发明工艺方法经过上述一系列过程后能得到较高的合成氨净值≥17%，再经冷却液氨分离便得到所需的氨化工产品。

具体地，①合成气压缩

来自上游装置的H₂、N₂气体经合成气压缩机（气体压缩装置20）低压缸压缩至约9.2MPa(G)后与来自合成回路的循环气混合后进入压缩机的高压缸，经高压缸增压至10.0MPa(G)后进入热交换器30换热至150℃后进入反应器。

②氨合成反应区

经热交换器30换热后的合成气分成5路，依次通过第一管道701、第二管道702、第三管道703、第四管道704和第五管道705输送，其中，第二路和第三路两路冷气（冷激气）作为冷激气分别通过第二管道702和第三管道703直接进入反应区分别用于调节第一反应区101入口101a、第二反应区102入口102a温度；第一、第四两路气体分别进入反应器10内部的中上层间换热器管程与出第二反应区102反应后的气体、第三反应区103反应后的气体换热后，温度升高到330～350℃并沿中心管108上升至第一反应区101顶部，到达顶部的第一和第四路气体经所述第二路冷激气调节至合适的温度后，进入第一反应区101反应。出第一反应区101出口101b的工艺气经第三路冷激气调整至合适温度后，沿径向方向进入第二反应区102反应。出第二反应区102出口102b的工艺气进入上层间换热器壳程，经冷却气调节温度后，再由外向内沿径向方向进入第三反应区103。出第三反应区103出口103b的工艺气进入中间换热器壳程，经冷却气换热后，同样由外向内沿径向方向进入第四反应区104反应，出塔工艺气400～410℃直接进入直连式合成废锅401。第五路合成气在催化剂升温还原阶段直接与废热锅炉401出口合成气混合用于还原阶段降低废锅出口气体温度小于300℃。

③氨合成回路余热回收

反应后的气体经反应器10下部带有内保温的连接锻件直接进入直连式合成废锅401，副产2.5MPa的饱和蒸汽。工艺气温度降至220～240℃进入锅炉给水预热器402加热锅炉水，锅炉给水预热器402出来的气体150～165℃进入热交换器30管程，用以加热壳程的入反应器10气体。考虑到反应器10中催化初末期活性不同，（一般前期入塔温度较低、后期较高），为了能够方便的调节入反应器催化剂、初末期气体温度，锅炉给水预热器402进出口设置旁路调节阀。

④产品液氨的冷却分离

出热交换器的工艺气温度降至70～75℃后进入水冷器501进一步冷却到30～35℃。出水冷器501的工艺气进入冷交换器502的管程，与壳程冷气换热，温度降低到21～24℃后依次进入第一氨冷凝器503和第二氨冷凝器504，温度降低到-12℃后进入第一氨分离器505分离出冷凝液氨，第一氨分离器505分离液氨后的气体再进入冷交换器502回收冷量。出冷交换器502的工艺气进入压缩机高压缸与低压缸增压后的合成气混合压缩，进行下一轮循环。第一氨分离器505分离出的液氨，减压至3.1MPa（G）进入第二氨分离器506分离出不凝气，第二氨分离器506的产品液氨在产品氨换热器507中与冷冻液氨换热后送入氨库，第二氨分离器506分离出的气体则去压缩机低压缸入口与新鲜气混合。

关键设备操作参数（实例典型数据）:

①氨合成反应器

反应器形式:轴径向；

反应器入口气量：70547～10780m3/h；

入口氢气/氮气（摩尔）：2.85～3.05；

反应器入口温度：140℃；

反应器出口温度：420℃；

反应器区间换热器设计温度：550℃；

反应器外筒设计温度：285℃；

反应器外筒设计压力：10.5MPa（G）；

催化剂装量：50m3（30 m3铁基+20 m3钌基）；

废热锅炉副产蒸汽压力：2.5～4.0 MPa（G）。

②催化剂床层分区设计

第一反应区入口温度：310℃；

第一反应区出口温度：459℃；

第二反应区入口温度：318℃；

第二反应区出口温度：428℃；

第三反应区入口温度：342℃；

第三反应区出口温度：416℃；

第四反应区入口温度：375℃；

第四反应区出口温度：406℃。

本发明的设备及方法的优点如下：

1、采用本发明建设的生产装置，其工艺设备易于制造、施工简单、操作容易、装置布置紧凑，减少占地面积，符合环保标准；

2、用本发明建设的生产装置，比同规模其它工艺技术生产装置设备、管道及材质节省总投资约15%，具有明显的经济效益；

3、用本发明建设的生产装置，合成气压缩机功耗降低约15%，具有明显的市场竞争效益；

4、水冷器入口温度降至75℃以内，减少循环水消耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压合成氨设备，其特征在于，该设备包括：

具有入口和出口的合成氨反应器，其在入口和出口之间包括在纵向方向上依次间隔设置的多个反应区，每个反应区分别具有反应区入口和反应区出口，反应气体从上一个反应区的出口进入下一个反应区入口之前进行热交换降温处理，其中，位于顶端的第一个反应区填充有铁基催化剂，其它反应区填充有钌基催化剂；

用于压缩反应气体和/或循环气体的气体压缩装置；

分别与所述合成氨反应器与所述气体压缩装置连接的用于对气体进行热交换的热交换器；以及

与所述热交换器连接的氨冷却分离装置。

2.根据权利要求1所述的低压合成氨设备，其特征在于，所述合成氨反应器的出口和所述热交换器之间还设有余热回收装置。

3.根据权利要求1所述的低压合成氨设备，其特征在于，所述合成氨反应器在入口和出口之间依次包括间隔设置的第一反应区、第二反应区、第三反应区和第四反应区，合成氨反应器还包括一从第一反应区顶部到第四反应区出口贯穿设置的中心管。

4.根据权利要求3所述的低压合成氨设备，其特征在于，所述热交换器通过管道装置与所述合成氨反应器连接，所述管道装置包括设于热交换器和合成氨反应器底部之间的第一管道、设于热交换器和第二反应区入口之间的第二管道、设于热交换器和第二反应区出口之间的第三管道、和设于热交换器和第三反应区出口之间的第四管道。

5.根据权利要求1所述的低压合成氨设备，其特征在于，所述氨冷却分离装置包括：

与热交换器连接的水冷器；

与水冷器和气体压缩装置均连接的冷交换器；

与冷交换器连接的第一氨冷凝器；

与第一氨冷凝器连接的第二氨冷凝器；

与第二氨冷凝器和冷交换器均连接的第一氨分离器；

与第一氨分离器和气体压缩装置均连接的第二氨分离器；以及

与第一氨冷凝器和第二氨分离器均连接的产品氨换热器。

6.根据权利要求2所述的低压合成氨设备，其特征在于，所述热交换器和所述余热回收装置的出口之间设有第五管道。

7.一种低压合成氨的方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述低压合成氨设备，包括如下步骤：

将氮气和氢气组成的合成气体进行压缩的步骤；

将压缩后的合成气体进行加热的步骤；

将加热后的合成气体依次在铁基催化剂和钌基催化剂的催化下合成氨的步骤；

将氨气进行余热回收的步骤；

将氨气进行冷却和分离的步骤。

8.根据权利要求7所述的低压合成氨的方法，其特征在于，所述合成氨步骤包括依次进行的四个合成氨阶段，相邻两个阶段之间对反应后的气体进行热交换以降低气体温度。

9.根据权利要求7所述的低压合成氨的方法，其特征在于，所述合成气体被压缩至9 .0～10 .0MPa(G)。

10.根据权利要求8所述的低压合成氨的方法，其特征在于，每个阶段的反应温度为310～430℃。