專利名稱：從氨馳放氣回收氫氣和氮氣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從含有氫氣和氮氣的補充氣(make-up gas)合成氨的領(lǐng)域。更詳細地，本發(fā)明公開了用于從取自合成氨裝置的高壓合成回路的馳放氣(purge gas)回收氫氣和氮氣以及任選地氬氣的新的工藝和單元。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)氨的已知工藝包括在通常于80-300巴壓強左右操作的高壓(HP)合成回路中包含氫氣(H2)和氮氣(N2)的補充合成氣的催化反應(yīng)。補充合成氣在前端段，合成回路上游，通過重整適合的烴進料例如天然氣而產(chǎn)生。例如，烴進料被脫硫，之后在初級重整器中被蒸汽重整，獲得800°C左右溫度的包含CO、CO2和H2的第一氣體產(chǎn)物；第一氣體產(chǎn)物進一步與空氣、富集的空氣或氧氣在第二重整器或自熱重整器(ATR)中反應(yīng)，獲得1000°C左右 的第二氣體產(chǎn)物；所述第二氣體產(chǎn)物之后在設(shè)備的一系列部分包括變換器(其中CO轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣)；C02去除單元和甲烷轉(zhuǎn)化器中處理。通常具有多級壓縮機的主壓縮段將補充合成氣進料至HP合成回路中。生產(chǎn)氨和工藝和生產(chǎn)氨補充合成氣的工藝公開在例如EP-A-2 022 754中。從前端段向合成回路提供的合成氣被稱為補充氣或MUG，所述氣體包含摩爾比3 I左右的H2和N2以及少量的通常1%摩爾(摩爾％ )左右的不反應(yīng)的組分，通常稱為“惰性物”。惰性物主要是甲烷(CH4)和氬氣(Ar)。惰性氣體在合成回路中加速循環(huán)氣體并且它們的濃度受到從回路撤出馳放氣流的控制。馳放氣提取點通常位于補充氣進入的上游；優(yōu)選地，在所述惰性氣體的濃度較高的地方。通過所述馳放氣提取，惰性氣體的濃度通?？刂圃?摩爾％至20摩爾％。由于甲烷的相對濃度，馳放氣通常作為燃料回收。然而馳放氣含有大量的氫氣和氮氣，通常5%至10%的MUG的總H2和N2含量?；厥振Y放氣的氫氣和氮氣含量有一個誘因除非被回收，否則，其必須通過提供另外的相對昂貴的MUG來補償，作為進料天然氣和工藝空氣?；厥諝錃獾囊阎に囀腔谀さ倪x擇性滲透。包含一個或多個膜階段的氫氣回收單元(HRU)允許獲得富氫的滲透氣和貧氫的氣體。然而基于膜的系統(tǒng)的缺點是氫氣富集氣體可在比合成回路的壓力小得多的壓力下制得。由于這一原因，所回收的富氫氣體通常在合成氣壓縮機的第一級和/或隨后的級的進氣處重新引入工藝，其中其隨著新鮮的補充氣一起被重新壓縮直到回路壓力。這意味著壓縮機的負載和能量消耗都增加，或者換句話說，馳放氣的高壓在HRU中被損失。另一個缺點是膜滲透對H2具有選擇性，意味著馳放氣的N2含量從工藝中損失并且被排出至工廠燃料系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以更高效的方式回收從合成氨裝置的合成回路獲取的馳放氣氣流中的有用氣體成分。因此，本發(fā)明的第一個目的是回收氫氣(H2)，而與已知技術(shù)相比，補充合成氣壓縮機的負載沒有增加或增加較少；本發(fā)明的另外的目的是同樣有效回收氮氣(N2)以及同樣任選地作為單獨的氣流的氬氣(Ar);本發(fā)明的另外的目的是從回路循環(huán)氣體除去惰性氣體(尤其是甲烷)而不損失反應(yīng)物H2和N2 ;增加循環(huán)氣體的反應(yīng)性，由此減少氨合成設(shè)備的大小以及合成氣壓縮機的能量消耗。上述目的由用于從包含氫氣和氮氣的補充氣來合成氨的合成氨裝置來實現(xiàn)，所述裝置包括-以回路壓力操作的合成回路，所述回路至少包括循環(huán)器和合成轉(zhuǎn)化器；-弛放線(purgeline)，以回路壓力從所述合成回路提取馳放氣流；所述馳放氣流包含氫氣和氮氣，以及甲烷和/或氬氣； -回收單元，其被構(gòu)置以回收引入所述回收單元的馳放氣進料的一部分氫氣和氮
氣含量;特征在于所述回收單元包含至少一個熱交換器，以冷卻所述馳放氣進料，以及高壓分離段，其包含在所述回路壓力下操作的至少一個高壓相分離器，所述熱交換器和分離段以下列方式布置a)進入所述回收單元的馳放氣進料在所述回收單元的熱交換器的至少一個通道中冷卻，降至適于獲得在一個或多個下游相分離器中甲烷和氬氣的至少部分液化的低溫;b)所述馳放氣的液化部分和處于回路壓力的含有氫氣和氮氣的回收氣體流在所述高壓分離段中被分離，以及c)處于回路壓力的所述回收氣體流在所述回收單元的熱交換器的至少一個通道內(nèi)被重新加熱，所獲得的重新加熱的氣體流以所述回路壓力從所述回收單元輸出，并且返回到處于所述回路壓力的所述合成回路。術(shù)語回路壓力表示回路的壓力，其可根據(jù)合成工藝而變化?；芈穳毫νǔ８哂?0巴，大多數(shù)情況下在50至500巴的范圍內(nèi)并且通常在80至300巴的范圍內(nèi)。通常壓力在150巴左右。馳放氣處于所述回路壓力，原因在于其直接從氨合成回路提取。引導(dǎo)至回收回路的馳放氣進料可以是從合成回路獲取的或者被預(yù)先處理例如已除去氨的馳放氣。在本發(fā)明的一些實施方案中，將從回路獲取的馳放氣洗洗以去除氨溶液，并且之后將無氨氣體通過適于去除水的設(shè)備例如分子篩，以便將干燥并且無氨的馳放氣進料引導(dǎo)至回收單元?；厥諉卧梢园粋€或多個相分離器。相分離器可被布置以在多個壓力和/或溫度水平操作。在一些實施方案中，回收單元包含處于不同壓力并且級聯(lián)布置的多個相分離器。所述級聯(lián)包括在回路壓力操作的至少一個第一高壓分離器和在大大低于所述回路壓力操作的至少一個第二分離器。級聯(lián)的第二和任何隨后的分離器接受來自之前分離器的液體出口 ；回收單元之后能夠輸出基本上處于回路壓力的所述回收氣流和處于較低壓力水平的一個或多個另外的氣體流。處于較低壓力的所回收的氫氣和氮氣可被引導(dǎo)至補充合成氣壓縮機的進氣階段或其中間階段。所述高壓(HP)分離段可包括一個或多個相分離器，所有都在回路壓力操作。在一些實施方案中，高壓分離段包含多個在不同溫度操作的相分離器，即第一相分離器，處于比第一分離器更低的溫度的至少第二分離器以及最后處于甚至更低溫度的另外的分離器。在這些實施方案中，所述高壓分離段的第二和任何隨后的分離器接受在所述段的之前的分離器中分離并且在中間的熱交換器中冷卻的氣相。高壓分離段的多溫度布置可與多壓分離組合。在一個實施方案中，例如，回收單元包括第一高壓分離器；在較低溫度操作的第二高壓分離 器；冷卻在所述第一高壓分離器中分離并且引導(dǎo)至所述第二高壓分離器的氣體流的熱交換器；在大大低于所述回路壓力的更低的壓力操作的另外的分離器。之后回收單元能夠輸出基本上處于回路壓力的包含氫氣和氮氣的氣體流以及處于更低壓力的包含氫氣和氮氣的至少另一個氣體流。優(yōu)選地，回收單元包括被布置以膨脹在所述一個或多個相分離器中獲得的液流的至少一個膨脹設(shè)備，以提供所述回收單元的至少部分凈制冷。所述膨脹設(shè)備是例如減壓渦輪機或膨脹器或普通閥?；厥諉卧械臒峤粨Q器、相分離器和膨脹設(shè)備可被布置在冷箱中?；厥諉卧囊粋€或多個熱交換器的優(yōu)選的實施方案是多通道熱交換器。作為非限制性實例引用的可能實施方案包括板翅換熱器或纏繞管式交換器或者印刷線路式熱交換器或者管殼式單元。然而任何已知類型的熱交換器都可使用，熱交換器的類型不是本發(fā)明的必要特征。如下文將討論的，高壓分離器之后可以是在較低壓力操作的另外的分離器，所有都包括在冷箱中。高壓分離段可包括一個或多個分離器容器、回流傳質(zhì)設(shè)備或回流管冷凝器。所述一個或多個膨脹設(shè)備可包含減壓渦輪機(let-down turbine)、適于從膨脹回收一些機械功的液體膨脹器或者普通閥。高壓分離段在回路壓力操作，其應(yīng)預(yù)期為從回路提取的馳放氣的額定壓力減去壓力損失。實際上，所述段的一個或多個相分離器的工作壓力是回路壓力減去歸因于氨和水的去除以及如果有的話通過任何上游設(shè)備例如一個或多個熱交換器的壓力損失。特別地，沒有特別提供用于減少進料至回收單元的馳放氣的壓力的設(shè)備。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，高壓分離段以回路壓力的至少90 %的壓力工作。從回收單元以回路壓力輸出的包含氫氣和氮氣的回收氣體流可返回循環(huán)器的進氣處，優(yōu)選地通過專用線的方式。上文所說的低溫是優(yōu)選地被選擇以使引導(dǎo)至所述回收單元的馳放氣進料中低于50%的氮氣內(nèi)容物被凝結(jié)，而多于50%的甲烷和氬氣被凝結(jié)的溫度。例如，所述低溫可以是零下200°C至零下150°C，即70至120K左右。本發(fā)明的另一個方面是氬氣作為單獨氣流的回收。相應(yīng)地，回收單元包含蒸餾塔，其被布置以接受來自高壓分離段(例如來自高壓分離器或者當(dāng)回收單元包含處于不同壓力水平的級聯(lián)的多個分離器時來自最低壓分離器)的膨脹的底部流。所述蒸餾塔提供富集氬氣的頂部蒸氣，其優(yōu)選地在從所述回收單元輸出之前在回收單元的熱交換器的通道中重新加熱。本發(fā)明顯著的優(yōu)勢在于所回收的氫氣和氮氣可以在本上與回收單元進料流的壓力相等的壓力下制得，這意味著在接近于回路壓力的壓力。例如，本發(fā)明優(yōu)選的實施方案提供了在回路壓力的90%或更大的壓力下回收氫氣和氮氣。在這樣的高壓下回收的氫氣和氮氣可重新直接引入回路。優(yōu)選地，本發(fā)明的回收單元可連接在循環(huán)器的進氣處，更準確地，馳放氣流可以在合成轉(zhuǎn)化器段和與合成回路中的冷交換器平行放置的回收單元下游的某處獲取，而所回收的氣流返回循環(huán)器的進氣處，以使合成氣壓縮機的功率需要不以任何方式受到影響。作為替代方案，其可以跨回路的循環(huán)器而連接(connect across):在循環(huán)器的出料側(cè)合成轉(zhuǎn)化器段上游獲取馳放氣而將包含所回收的氫氣和氮氣的氣流在所述循環(huán)器的進料側(cè)重新引入合成回路，意味著回收單元中的壓力損失基本上等于跨所述循環(huán)器的壓力差。這一壓力差通常為3至10巴左右，取決于所選擇的提取位點。如果需要，可布置小的壓縮機以將所回收的氣流重新壓縮以便引入回路；然而所述壓縮機的功率需求很小。由于以回路壓力回收H2和N2，相對于常規(guī)裝置，合成氣壓縮機的功率和流量的需求被降低，需要或不需要膜型HRU。根據(jù)本發(fā)明的回收單元的唯一顯著的能量消耗是，如果有的話，壓縮回路循環(huán)器中循環(huán)氣流所需要的動力。 本發(fā)明的另一個優(yōu)點是仏和隊的回收高于常規(guī)的基于膜的系統(tǒng)。本發(fā)明所允許的處于回路壓力的H2的回收與膜型HRU的85-90 %左右相比為高于90 %并且通常為97-98 %。處于回路壓力的N2的回收通常高于50%。這是相對于馳放氣中多于80%的N2從工藝中損失而被排放至燃料系統(tǒng)的膜型HRU的明顯的改進。因此，向第二重整器的工藝空氣供應(yīng)可減少，接近化學(xué)當(dāng)量值。應(yīng)當(dāng)注意的是在高壓分離器中分離的所有氣體H2和N2可引導(dǎo)至回路循環(huán)器的進氣處。如上文所陳述的，實施方案中的一些可提供較低壓力水平的另外的回收。然而所有較高壓力分離器的頂部蒸氣適于進料至回路的循環(huán)器的進氣處是本發(fā)明的值得注意的特征。另一個優(yōu)點如下。由于回路循環(huán)器壓縮機的低功率增加(如果有的話)，相對于通常使用膜型HRU的常規(guī)合成回路設(shè)計，其可有利于顯著擴大運送至回收單元的回路馳放氣的份數(shù)。用于以低功率損失擴大馳放氣流的這一能力具有下列優(yōu)點-增加處于高壓的N2的回收；-因為甲烷比N2或氬氣更容易凝結(jié)，馳放氣提取率的增加顯著降低回路循環(huán)氣中的甲烷濃度；反過來這一特征改善了氨合成轉(zhuǎn)化器和合成回路的表現(xiàn)，原因在于循環(huán)氣改善的反應(yīng)性；而且，可耐受補充氣中更高濃度的甲烷；-合成氣壓縮機的功率比傳統(tǒng)裝置中的更低，并且其尺寸更小，因為所回收的氣流在循環(huán)氣的進氣處返回并且合成氣凈消耗是最小的；-裝置的能量消耗更小；-純氬氣可在另外的塔中與甲烷分離并且作為候選的產(chǎn)品提供。根據(jù)權(quán)利要求9至15，本發(fā)明的一個方面同樣是從氨馳放氣回收氫氣和氮氣并且除去甲烷以獲得更有活性的循環(huán)氣而沒有反應(yīng)物氫氣和氮氣的損失的工藝。本發(fā)明可用于新的裝置，以便設(shè)計具有較小的合成器產(chǎn)生設(shè)備、合成氣和空氣壓縮機以及氨合成回路設(shè)備；以及擺脫合成段和壓縮機瓶頸的改造。本發(fā)明的另一個方面是可調(diào)整回收單元的馳放氣流動和操作條件以控制回路中循環(huán)的H2和N2的比例，同樣提供穩(wěn)定合成回路的組成和操作的方式，補償裝置前端可能的變化，例如工藝空氣流的變化。優(yōu)選地，馳放氣的流速使得回路循環(huán)氣具有非常低的惰性物(例如CH4和Ar)濃度而基本上沒有反應(yīng)物H2和N2的損失?，F(xiàn)在將在對下列優(yōu)選并且非限制性實施方案的描述的幫助下闡明本發(fā)明。


圖I是特征在于在根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的單一壓力回收單元中從馳放氣回收氫氣和氮氣的用于氨合成的裝置的圖解。圖2是根據(jù)另一個實施方案具有多壓回收的裝置的圖解。圖3涉及提供將氬氣作為單獨氣流的回收的實施方案。圖4公開了圖I的變型，其中回收單元包含回流傳質(zhì)設(shè)備。
圖5公開了圖I的變型，其中回收單元包含回流冷凝器。圖6是根據(jù)另一個實施方案的其中惰性物的分離以不同溫度水平發(fā)生的裝置的圖解。圖7和8公開根據(jù)本發(fā)明的回收單元的兩個可能的布置。
具體實施例方式參照圖I的第一實施方案，用于從含有氫氣和氮氣的補充氣合成氨的裝置包含以通常為高壓例如150巴或更高的回路壓力操作的合成回路I?；芈稩主要包括轉(zhuǎn)化器2、熱交換器3、循環(huán)器4和分離器5，來遞送氨產(chǎn)品6?；芈吠ㄟ^主壓縮單元8的方式用補充氣7進料。補充氣7在裝置的前端段生產(chǎn)，例如通過將適合的烴源以顯著低于回路I的回路壓力的壓力重整。主壓縮單元8將通過所述前端段遞送的補充氣的壓力升高至回路的壓力水平。壓縮單元8通常是多級單元，在圖中顯示兩個級8a和Sb。循環(huán)器4克服沿回路I自身的壓力損失，包括轉(zhuǎn)化器2、交換器3等…的壓力損失，其通常為幾個巴。補充氣7包含對于氨合成反應(yīng)來說為惰性的成分并且被稱為“惰性氣體”。惰性氣體主要由甲烷和/或氬氣組成?；芈稩中惰性氣體的累積對效率具有負面影響。為了避免這樣的累積，從回路I提取適合的量的馳放氣。在圖I的實施例中，氨馳放氣10是在回路氣體循環(huán)器4的下游位點從合成回路I提取的。馳放氣10的壓力基本上為回路壓力。馳放氣10包含一些氨，其優(yōu)選地被回收。因此，氣體10首先在包含將氣體用水清洗的清洗設(shè)備12的段11中處理，以除去作為溶液13被回收的氨。無氨氣體14之后使用適合的設(shè)備例如分子篩吸附劑15干燥。干燥的無氨的馳放氣20然后流至低溫回收單元100。無氨干燥氣體20的壓力仍基本上等于回路壓力。由于設(shè)備12和15的損失，氣流20的壓力當(dāng)然稍微低于回路壓力；通常氣流20的壓力將比馳放氣10提取位點處的回路壓力低O. 3至3巴。氣流20的溫度通常在-30°C和+40°C (243至313K)之間。低溫回收單位100包括絕緣冷箱101、多通道熱交換器102、高壓氣液分離器103和膨脹設(shè)備104。膨脹設(shè)備104可以是膨脹器或減壓閥。進入單元100的馳放氣20在上文提及的熱交換器102的通道102a中冷卻至適合冷凝至少50%的氬氣和甲醇的溫度。優(yōu)選地，選擇所述溫度以使其小于50%的氮氣內(nèi)容物被凝結(jié)并且所述流20的多于50%的氬氣和甲烷含量被凝結(jié)。在一般情況下，適合的溫度可在-150°C至_200°C的范圍內(nèi)。熱交換器102的通道之后，獲得低溫冷卻的流121，所述冷卻的流121之后引導(dǎo)至分離器103，其中獲得蒸氣相122和液相124。在實施例中，離開分離器103的頂部蒸氣122被重新加熱至熱交換器102的第二通道102b中的環(huán)境溫度，由此獲得包含處于回路壓力的氫氣和氮氣并且具有減少濃度的惰性氣體例如甲烷和氬氣的回收流123。所述回收流123的壓力允許直接重新引入回路1，優(yōu)選地在回路氣體循環(huán)器4上游的位點。具有較高濃度的甲烷和氬氣的來自分離器的底部氣體124，在膨脹設(shè)備104中被減壓，其中其部分蒸發(fā)，由此產(chǎn)生溫度上的下降。通過所述設(shè)備減壓是大幅的，通常達到10巴以下的壓力。所獲得的部分氣化的流125之后進入熱交換器中第三通道102c，其中其充分氣化并且重新加熱至環(huán)境溫度。包含馳放氣的大部分甲烷和氬氣含量的所述第三通道102c的輸出流通常被用作燃料氣?？勺⒁獾今Y放氣20通過熱交換器由蒸氣122和膨脹的流125冷卻。對于總體上平衡熱交換器102以維持氣液分離器103的溫度來說是必須的凈制冷的至少一部分是通過液體流124的膨脹來提供的。如果由膨脹器104所給予的制冷是足夠的，將不需要外部制冷，盡管這些制冷可以在任何適合的地方提供，例如通過氮氣制冷回路。
膨脹設(shè)備104可以是減壓閥或渦輪機，渦輪機的使用允許同時從液體124的膨脹回收一些功，但更重要的是通過做功，其比通過閥的層狀結(jié)構(gòu)降低了更多的流溫度由此提高了熱交換器的溫度推動力，減少了所需要的交換面積并且減少了對另外的外部制冷的需要。包括多通道熱交換器102、氣液分離器103和減壓設(shè)備104的組裝件被裝在絕緣的冷箱101中。多通道熱交換器102可具有任何適合的構(gòu)造，通常是板翅熱交換器，但纏繞管式或者印刷線路式熱交換器類型也是可替代的，尤其是對于非常高壓的應(yīng)用，例如在氣液分離器中超過150巴。本發(fā)明的另外的實施方案提供了氫氣和氮氣的多壓分離，其用于從馳放氣較高的氫氣回收，并且使得損失到燃料氣體流中的氫氣減少。參照圖2的示例性實施例，回收單元200包含絕緣的冷箱201、具有通道202a至202e的多通道熱交換器202、高壓(HP)氣液分離器203，其后是中壓(MP)氣液分離器205和低壓(LP)氣液分離器206。所述分離器級聯(lián)地與膨脹設(shè)備204間隔連接，即來自分離器的底部液體經(jīng)由各自的膨脹設(shè)備204通向之后的分離器。如在之前的實施例中，希望將在循環(huán)器4的出料側(cè)從合成回路I除去的馳放氣10在組塊11中去除氨蒸氣并且干燥，獲得無氨干燥氣體20。如上文所陳述的，所述氣體20之后在多通道熱交換器202的第一通道202a中冷卻，優(yōu)選地冷卻至一定溫度，從而使其少于50 %的氮氣含量被凝結(jié)并且多于50 %的氬氣以及尤其是甲烷被凝結(jié)。冷卻的流211被導(dǎo)向HP分離器203，并且離開HP分離器的頂部蒸氣被重新加熱至熱交換器的第二通道202b中的環(huán)境溫度，形成處于回路壓力的回收流223，其可在循環(huán)器4的進料側(cè)被重新引入至回路I中。來自HP分離器203的底部液體224首先在減壓設(shè)備204中減壓并且之后以部分氣化的狀態(tài)進入MP分離器205。來自MP分離器205的蒸氣230，包含溶解于其液體進料中的部分氫氣，被重新加熱至熱交換器的第三通道202c中的環(huán)境溫度。然后，所獲得的MP氫氣富集流203再循環(huán)至回路I。然而，當(dāng)壓力顯著低于HP流223的壓力時，所述MP流231被送回壓縮級8，例如至第二級Sb的進氣處。從這一布置看來明顯的是MP分離器205中的壓力應(yīng)當(dāng)稍微高于所述第二級8b的進氣處壓力。
來自MP分離器205的底部液體接下來在另外的減壓設(shè)備204中被減壓并且之后以部分氣化的狀態(tài)進入LP分離器206。來自LP分離器的蒸氣240,同樣含有溶于其液體進料的一部分氫氣，被加熱至換熱器的通道202d的環(huán)境溫度；所獲得的LP氫氣富集流241之后被再循環(huán)至壓縮級8，通常至第一級8a的進氣處。優(yōu)選地，MP分離器205的壓力是HP分離器203的壓力的大約50%，并且LP分離器206的壓力是所述HP分離器203的壓力的大約25%。來自LP分離器206的底部液體在另一個膨脹設(shè)備204中被減壓至通常小于10巴的壓力，其中其部分氣化為流225。這一流225之后進入熱交換器的通道202e，其中其被充分氣化并且再加熱至環(huán)境溫度，形成通常用作燃料氣體的流226。膨脹設(shè)備204中的任一個可以是閥或膨脹器，例如液體膨脹渦輪機。如圖I中的單一壓力布置，在來自分離器底部的液體的壓力減小中發(fā)生的部分氣化通常提供足夠的冷卻以將單元200制冷并且維持氣液分離器的溫度而無需使用外部制冷，盡管這些制冷可 由例如氮氣制冷回路來提供。如圖2中的，多壓氫氣回收的優(yōu)點是較高的氫氣回收。例如，與單一壓力的實施方案的95%左右相比，使用三個分離器203、205和206的實施方案可獲得高于98%的&回收率。提供中間氫氣回收的另外的級是可能的，特別是如果主壓縮機8包括多于兩個級的合成氣壓縮，并且之后促進了以多種壓力的重新引入。使用兩個壓力水平的實施方案同樣是可能的，通常僅提供HP分離器和LP分離器并且從LP分離器將蒸氣再循環(huán)至合成氣壓縮機的第一級8a的進氣處。另一個實施方案示于圖3中，特征為將氬氣作為單獨的輸出氣流回收?；厥諉卧?00包含絕緣的冷箱301，具有通道302a至302e的多通道熱交換器302，高壓(HP)氣液分離器303。氣液分離器303之后是再煮沸的氣提塔305和蒸餾塔306。所述氣提塔305和塔306以比分離器303更低的壓力操作并且膨脹設(shè)備304被布置在所述對象和塔306的下游之間。馳放氣20在如上文在組塊11中除去氨并且干燥后在第一通道302a中冷卻并且所產(chǎn)生的流321引導(dǎo)至HP分離器303。氣相322通過通道302b重新加熱形成高壓回收流323，包含氫氣和氮氣，其可被重新引入回路I中，例如，如在之前實施方案中于循環(huán)器4的進氣處。在這一實施方案中，離開HP分離器303的底部液體324通過閥304減壓進入重新沸騰的氣提塔302的頂部，其將氫氣和氮氣含量分離為頂部蒸氣330和作為底部液體331的氬氣和甲烷含量。通過熱交換器在第三通道302c中重新加熱至環(huán)境溫度后蒸氣330作為流332再循環(huán)至合成氣壓縮機8a的進氣處。來自氣提塔305的底部液體331在設(shè)備304中進一步減壓并且被引入蒸餾塔306中。來自所述蒸餾塔306的頂部蒸氣340包含大量的氬氣。所述蒸氣340通過熱交換器在第四通道302d中重新加熱至環(huán)境溫度，形成重新加熱的流341，其包含作為可從單元300分離輸出流的氬氣。來自塔306的底部液體342具有相當(dāng)含量的甲烷，且通過包含燃料流350的熱交換器在第五通道302e中被蒸發(fā)并重新加熱至環(huán)境溫度。這一實施方案的優(yōu)點是氬氣的分離回收。氬氣從工藝的唯一損失將作為在甲烷副產(chǎn)物350中的雜質(zhì)以及低壓再循環(huán)流332中少的氬氣含量而發(fā)生。更一般地，在類似圖2中所公開的實施方案的一個多壓實施方案中，可布置塔306接受來自最低壓分離器的底部液體。以這一方式，多壓單元能夠輸出單獨的氬氣富集流。 由于需要重新沸騰氣提塔305和蒸餾塔306，因此需要補充的制冷系統(tǒng)(未顯示)。所述補充的制冷系統(tǒng)通常是氮氣循環(huán)。圖4說明了另外的實施方案，其基本上是圖I的實施方案的修改版本，給出了對于高壓馳放氣改善的氬氣和甲烷的去除。這一實施方案包括用回流冷凝器403替換HP分離器容器。因此，單元400主要包括冷箱401、熱交換器402、回流冷凝器403和膨脹設(shè)備404。進料20在熱交換器402的第一通道402a中被冷卻至或接近其露點溫度。之后冷卻的流421進入回流冷凝器403的底部。所述冷凝器包括熱交換器410，所述熱交換器的熱端具有帶有擴大的氣流面積的垂直的通道，以致從上升流凝結(jié)的液體能夠朝下運行，與進料421逆流并且在其底部離開冷凝器，成為凝結(jié)的流424。這一布置提供多個傳質(zhì)階段，取代了簡單的分離器中的僅一個階段。離開回流冷凝器403的頂部的蒸氣422在熱交換器的第二通道402b中被重新加熱至環(huán)境溫度并且形成高壓回收流423，其能夠在回路氣體循環(huán)器的進氣處重新加入氨合成回路。來自回流冷凝器的包含氬氣、甲烷和氮氣的底部液體424首先在膨脹設(shè)備404中減壓至通常10巴以下的壓力，所述膨脹設(shè)備404如同在其他的實施方案中一樣可以是閥或者液體膨脹器。所述液體424部分氣化，由此產(chǎn)生溫度上的下降。部分氣化的流425之后進入回流冷凝器403的冷側(cè)，即熱交換器410的冷側(cè)。當(dāng)所述流425被蒸發(fā)時，其提供回流冷凝器熱側(cè)所需要的大部分或全部冷卻?；旧蠚饣牧?26之后進入熱交換器中的第三通道402c，其中其被充分氣化并且重新加熱至環(huán)境溫度，形成輸出燃料流427。在減壓閥或渦輪機404中發(fā)生的部分氣化通常提供足夠的冷卻以保持冷箱回流冷凝器的溫度而無需使用外部制冷，盡管這些制冷可由例如氮氣制冷循環(huán)來提供。如圖5中所說明的，作為回流冷凝器的替換方案，常規(guī)的回流吸收器可替代。更詳細地，根據(jù)這一另外的實施方案，單元500主要包含冷箱501、熱交換器502、回流吸收器503和膨脹設(shè)備504。來自第一通道502a的冷卻的流521進入吸收器503 ;頂部蒸氣522在通道502b中重新加熱之后形成處于回路壓力的回收流523，包含氫氣和氮氣；底部液體524在膨脹之后被加熱并且部分蒸發(fā)，經(jīng)過吸收器503內(nèi)部的熱交換器510，獲得流526，其在通道502c中被進一步加熱并且作為含有甲烷、氮氣和氬氣的燃料流527輸出。其他的細節(jié)可從圖4或圖I的實施方案中獲取。在上文示例性的實施方案中，回收單位具有帶有相分離器的HP分離段。本發(fā)明的另外的實施方案示于圖6。如圖2中所結(jié)合的，這一方案與在較低溫度操作的第二高壓分離器一起結(jié)合了從離開高壓分離器的液體回收氫氣。所有這些特征導(dǎo)致相對于圖I中所示的第一實施例更高的氫氣回收和更高的惰性物(尤其是CH4)排出。冷箱601中的回收單元600包括具有基本上以相同壓力(即回路壓力)操作的兩個HP相分離器603a和603b的高壓分離器。第二分離器603b在比第一分離器603a較低的溫度操作，原因在于熱交換器610。膨脹設(shè)備如604所示。
如同在之前的實施方案中，馳放氣進料20在主熱交換器602的通道中冷卻并且之后引導(dǎo)至第一高壓分離器603a。從處于較高溫度的第一分離器603a的底部離開的液體被閃蒸至低壓分離器630中，其與合成氣壓縮機的第一級8a的進氣處相通。因此，所述低壓分離器中放出的閃蒸氣體(主要是氫氣)經(jīng)由合成氣壓縮機被重新送回合成回路(流631)。來自第一分離器603a的蒸氣605之后在熱交換器610的通道內(nèi)進一步冷卻，產(chǎn)生惰性物尤其是CH4的另外的凝結(jié)。所獲得凝結(jié)物在第二分離器603b中分離。這一凝結(jié)物與來自高溫分離器的液體混合并且所混合的流625被蒸發(fā) 并且重新加熱至環(huán)境溫度，通過熱交換器610和602的通道，用作燃料。離開低溫分離器的蒸氣622通過所述熱交換器610和602重新加熱至環(huán)境溫度并且以合成回路壓力返回合成回路1，即作為回收流623在循環(huán)器4的進料側(cè)。圖6的實施方案的其他細節(jié)與之前公開的實施方案的那些相似，并且可從附圖容易地理解。所有上文的示例性實施方案顯示本發(fā)明的優(yōu)點，包括補充氣中甲烷的允許濃度較高，所有工藝方案所需要的工藝空氣最低，因為回收了氮氣；合成氣壓縮機容量和功率需要最低，因為氫氣和氮氣的充分利用，循環(huán)器的進氣處回收的馳放氣的再循環(huán)；來自馳放氣的非常高的H2回收；來自馳放氣的高的N2回收；合成回路惰性物含量低于使用等同的常規(guī)實行；減少的氨合成回路器材尺寸?；厥樟?23、223、323、423、523或623的壓縮可能是必需的，但是由于所述流基本上以回路的壓力輸出這樣的事實，減去回收單元中的壓力下降則需要很少的動力。本發(fā)明對于翻新和新的裝置來說都是可使用的。合成氨裝置可以通過例如提供如上文所公開的回收單元100、200、300、400、500和600中的任一種來翻新。圖7和8顯示根據(jù)本發(fā)明的回收單元的一般布置。圖6和7中的組塊HRU包括任選地用于氨去除和干燥的設(shè)備以及根據(jù)本發(fā)明的低溫單元，例如如上文所公開的單元100、200、300、400、500或600中的任一種。在圖7中，回收單元跨循環(huán)器4連接，即馳放氣在循環(huán)器4的出料側(cè)獲取而循環(huán)流在同一個循環(huán)器的進料側(cè)給料。在圖8中，回路I具有熱的熱交換器3a和冷的熱交換器3b ;回收單元與冷的熱交換器3b平行連接，即馳放氣10在轉(zhuǎn)化器2的下游獲取。
權(quán)利要求
1.一種從包含氫氣和氮氣的補充氣合成氨的合成氨裝置，所述裝置包括 -在回路壓力下操作的合成回路(I)，所述回路至少包括循環(huán)器(4)和合成轉(zhuǎn)化器(2)； -弛放線，以回路壓力從所述合成回路提取馳放氣流(10);所述馳放氣流包含氫氣和氮氣，以及甲烷和/或氬氣； -回收單元(100、200、300、400、500、600)，設(shè)置所述回收單元以回收引導(dǎo)至所述回收單元的馳放氣進料(20)的一部分氫氣和氮氣含量； 特征在于所述回收單元包含至少一個熱交換器，以冷卻所述馳放氣進料，以及高壓分離段，其包含在所述回路壓力下操作的至少一個高壓相分離器，所述熱交換器和分離段以下列方式布置 a)進入所述回收單元的馳放氣進料在所述回收單元的熱交換器的至少一個通道中冷卻，降至適于在一個或多個下游相分離器中獲得甲烷和氬氣的至少部分液化的低溫； b)所述馳放氣的液化部分和處于回路壓力包含氫氣和氮氣的回收氣體流在所述高壓分離段中被分離，以及 c)處于回路壓力的所述回收氣體流在所述回收單元的熱交換器的至少一個通道內(nèi)被重新加熱，所獲得的重新加熱的氣體流(123、223、323、423、523、623)以所述回路壓力從所述回收單元輸出，并返回處于所述回路壓力的所述合成回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的合成氨裝置，所述回收單元(200、300)包含級聯(lián)布置的多個相分離器，所述多個相分離器包括至少一個第一高壓分離器(203、303)和在大大低于所述回路壓力的壓力操作的至少一個第二分離器(205、206 ;305)，所述第二和任何隨后的分離器接受來自所述級聯(lián)的之前分離器的液體排出物；所述回收單元能夠輸出基本上處于回路壓力的包含氫氣和氮氣的所述回收氣體流(223、323)和處于較低壓力的包含氫氣和氮氣的至少另一個氣體流(231、241 ;332)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的合成氨裝置，所述高壓分離段包含在回路壓力和不同溫度下操作的多個高壓相分離器^03a、603b)，所述高壓分離段的第二 ^03b)和任何隨后的分離器接受在之前的分離器(603a)中分離并且在所述回收段的熱交換器(610)中冷卻的氣相；以及在大大低于所述回路壓力的壓力操作的至少一個另外的分離器(630)，所述回收單元因此能夠輸出包含氫氣和氮氣基本處于回路壓力的所述回收氣體流(623)和包含氫氣和氮氣處于較低壓力的至少另一個氣體流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的合成氨裝置，所述回收單元包含至少一個膨脹設(shè)備，所述膨脹設(shè)備被布置以膨脹在所述相分離器中獲得的液體流，以提供所述回收單元的至少一部分凈制冷，所述膨脹設(shè)備是減壓渦輪機或膨脹器或普通閥。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的合成氨裝置，所述回收單元(300)包含蒸餾塔(306)，所述蒸餾塔被布置以接受所述回收單元中來自所述高壓分離段或來自相分離器的級聯(lián)中的最低壓力分離器的膨脹的底部流，所述蒸餾塔提供富集氬氣的頂部蒸氣(340)，所述富集氬氣的蒸氣在所述回收單元的熱交換器(302)的通道(302d)中重新加熱并且從所述回收單元輸出。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的合成氨裝置，其中所述回收單元(400、500)的高壓相分離器是回流傳質(zhì)設(shè)備(403)或回流管冷凝器(503)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的合成氨裝置，所述熱交換器或多個熱交換器是下列類型中的一種或多種板翅換熱器或纏繞管式交換器或者印刷線路式熱交換器或者管殼式交換器。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的合成氨裝置，所述回收單元與跨所述循環(huán)器(4)連接，所述補充氣從所述循環(huán)器的出料側(cè)或所述合成轉(zhuǎn)化器(2)的下游獲取，并且將包含在回路壓力下從所述回收單元輸出的氫氣和氮氣的回收流以回路壓力重新引入所述回路⑴中。
9.一種用于回收氨合成回路馳放氣中所包含的氮氣和氫氣的工藝，所述氨合成回路馳放氣從氨合成回路獲取并且包含氫氣和氮氣以及一些甲燒和/或IS氣，其中 -在回路壓力下從氨合成回路(I)提取氨馳放氣(10)； -將馳放氣進料(20)引導(dǎo)至回收單元，用以回收其氮氣和氫氣含量的至少一部分， 所述工藝特征在于下列步驟 a)所述馳放氣進料被冷卻至低溫并且實現(xiàn)甲烷和氬氣的部分液化； b)在所述回收單元的高壓分離段中將包含氫氣和氮氣的至少一個氣體流從冷卻的馳放氣進料分離，和 c)將在步驟b)獲得的所述氣體流重新加熱，并且將所獲得的包含氫氣和氮氣的重新加熱的氣體流(123、223、323、423、523、623)在回路壓力下從所述回收單元輸出并且以回路壓力重新返回所述合成回路(I)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，通過所述步驟b)的分離獲得的液體流在多個膨脹步驟中膨脹，分離處于低于所述回路壓力的壓力的含有氫氣和氮氣的一個或多個另外的氣體流。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，所述步驟b)以多個溫度水平進行，將氣體流以第一溫度從所述馳放氣進料分離，所述氣體流之后被冷卻并且在至少另一個較低的溫度進一步分離為氣體部分和液體部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項所述的工藝，所述馳放氣的流速使得所述回路循環(huán)氣具有不超過10摩爾％的惰性物的濃度而基本上不損失反應(yīng)物H2，所述惰性物例如是CH4和Ar，所述馳放氣的小于50%的氮氣含量被除去并且所述馳放氣的大于50%的氬氣和甲烷含量被除去。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任一項所述的工藝，在所述回收單元中獲得的一個或多個液體流在至少一個膨脹步驟中膨脹，以向所述回收單元提供至少一部分凈制冷，優(yōu)選地通過經(jīng)由渦輪機或膨脹器的減壓，進一步地至閥，做功膨脹所述流并且回收機械能/功。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13中任一項所述的工藝，其中富集氬氣的氣體流(341)也從所述回收單元分離并且輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任一項所述的工藝，所述回路壓力在50至500巴的范圍內(nèi)并且優(yōu)選地在80至300巴的范圍內(nèi)，并且所述低溫在_230°C至_130°C的范圍內(nèi)。
全文摘要
公開了合成氨裝置，其中氨馳放氣(20)被送至低溫回收單元，所述低溫回收單元包括冷卻設(shè)備(102、202、302、402、503)和在回路壓力操作的高壓相分離器(103、203、303、403、503)；在所述單元內(nèi)部，馳放氣(20)被冷卻至低溫并且獲得甲烷和氬氣的部分液化；高壓相分離器將冷卻的流分離為氣體流和底部液體；所述氣體流在熱交換器的通道內(nèi)被重新加熱；之后所述單元能夠以回路壓力輸出包含氮氣和氫氣的氣體流(123、223、323、423、523)，其可在回路的循環(huán)器(4)的進料側(cè)重新引入。
文檔編號C01B3/52GK102985367SQ201080066033
公開日2013年3月20日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者拉法埃萊·奧斯圖尼, 埃爾曼諾·菲利皮, 杰弗里·弗雷德里克·斯金納 申請人:阿梅尼亞·卡薩萊股份有限公司