專利名稱：一種鐵催化劑串釕催化劑的合成氨工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在合 成環(huán)路中由氫和氮催化合成制氨的過程。具體地說是利用鐵催化劑和釕催化劑的合成氨工藝過程。
背景技術：
合成環(huán)路廣義上包括一個或多個合成塔，一個合成反應熱排除裝置的氨轉化系統(tǒng)，一個液氨回收系統(tǒng)，一個含有氫回收單元的凈化氣流系統(tǒng)和一個為使氣體在環(huán)路內循環(huán)并引入新的合成氣體到環(huán)路中的壓縮系統(tǒng)。目前氨合成系統(tǒng)大多使用傳統(tǒng)的熔鐵催化劑，采取單塔或多塔操作。1992年11月，美國凱洛格公司與英國BP公司聯(lián)合開發(fā)的活性炭載釕氨合成催化劑，第一次成功地工業(yè)化應用于加拿大Ocelot制氨公司氨廠的KAAP工藝。使用表明，釕系催化劑的催化活性比鐵催化劑高，反應溫度低，對水、一氮化碳、二氮化碳和氨不敏感，可以大大地提高系統(tǒng)的氨合成能力，降低氨合成的能耗和設備投資。美國專利US4568532介紹了一種鐵串釕的補充氨合成工藝，合成圈由三個不同類型的氨合成塔串聯(lián)組成。其中第一合成塔使用傳統(tǒng)的塔結構，裝鐵催化劑，第二第三塔是球形熱壁結構合成塔，使用活性炭載釕催化劑。在第一合成氣壓力為100 160kg/cm2時，終塔出口氣氨的體積含量為13 18% ;當第一合成氣壓力為100 160kg/cm2時，終塔出口氣氨的體積含量為15 24%。中國專利CN1544328A公開了一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，該工藝至少含有二個合成塔，第一合成塔裝鐵系催化劑，第二合成塔及后續(xù)各塔裝釕基催化劑，或第一與第二合成塔均裝鐵系催化劑，第三及后續(xù)合成塔裝釕系催化劑，各塔以串聯(lián)方式連接。通過循環(huán)氣與塔夾套的換熱實現(xiàn)節(jié)能的目的。與鐵催化劑相比，釕催化劑具有高氨濃度條件下催化活性高的特點，同時，釕催化劑上，氫的吸附對氮的吸附有強烈的抑制作用，因此釕催化劑更適宜在氫/氮比較小的工況下使用。因此，有必要針釕催化劑的上述特點開發(fā)相應的工藝過程。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種鐵催化劑串釕催化劑的氨合成工藝。本發(fā)明所述的鐵催化劑串釕催化劑的氨合成工藝是第一合成塔裝鐵系催化劑，第二合成塔裝鐵系催化劑，第三合成塔裝釕系催化劑，第四合成塔裝釕系催化劑，四個合成塔均為絕熱式合成塔，以串聯(lián)方式連接；循環(huán)氣經循環(huán)氣壓縮機增壓至10 15MPa，循環(huán)氣壓縮機出口氣經換熱器換熱升溫至380°C后進入第一合成塔，塔入口氣中氨的體積含量為3 5%，通過第一合成塔床層的體積空速為lOOOOtT1，部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量，第一合成塔出口氣中氨的體積含量為8 13%，溫度為440 510°C ；第一合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器A，新鮮合成氣經過新鮮合氣壓縮機增壓至14. 8MPa進入靜態(tài)混合器A與第一合成塔出口氣混合換熱，新鮮合成氣與第一合成塔出口氣的摩爾比為I : 3 4，控制新鮮合成氣的溫度使出靜態(tài)混合器A的氣體溫度為370 390 0C ；靜態(tài)混合器A出口氣進入第二合成塔，通過第二合成塔床層的體積空速為lOOOOtr1，部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量；第二合成塔出口氣中氨的體積含量為13 18%，溫度為440 510°C ；第二合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器B，新鮮氮氣經過新鮮氮氣壓縮機增壓至14. 6MPa進入靜態(tài)混合器B與第二合成塔出口氣混合換熱，第二合成塔出口氣與新鮮氮氣混合，控制新鮮氮氣的體積使混合后氣體中氫與氮摩爾比3 2. 5 1，控制新鮮氮氣的溫度使混合后氣體的溫度在360 370°C ；靜態(tài)混合器B出口氣進入第三合成塔，通過第三合成塔床層的體積空速為lOOOOtr1，部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量；第三合成塔 出口氣中氨的體積含量為17 21%，溫度為400 430°C ；第三合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器C，新鮮氮氣經過新鮮氮氣壓縮機B增壓至14. 6MPa進入靜態(tài)混C與第三合成塔出口氣混合換熱，新鮮氮氣與第三合成塔出口氣的氫與氮摩爾比為I : 3 4，出靜態(tài)混合器C的氣體溫度為360 370°C ；靜態(tài)混合器C出口氣進入第四合成塔，通過第四合成塔床層的體積空速為lOOOOtr1，部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量，第四合成塔出口氣體中氨的體積含量為19 23%，溫度為400 430°C ；第四合成塔出口氣進入氨分離器，分離出氨；未分離出的氨與未反應的氫氣、氮氣和惰性組分氬氣的混合物分為兩部分，一小部分作為馳放氣回收氫后排放，大部分作為循環(huán)氣循環(huán)到循環(huán)氣壓縮機。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點I.本發(fā)明將循環(huán)氣壓縮后，直接送入第一合成塔，由于循環(huán)氣中含有一定濃度的氨，使得第一合成塔中氫氣和氮氣的濃度降低。與將新鮮合成氣與循環(huán)氣混合后送入第一合成塔的方法相比，本發(fā)明可以使第一合成塔合成氨反應放熱量減小，床層溫升降低；2.本發(fā)明在第一合成塔出口將新鮮合成氣與第一合成塔出口氣混合后送入第二合成塔，與將新鮮合成氣與循環(huán)氣混合后送入第一合成塔的方法相比，本發(fā)明提高了第二合成塔的氫氣和氮氣的初始濃度，可以使第二合成塔中的合成氨反應更充分的進行，從而提高二塔的出口氨濃；同時，新鮮合成氣與第一合成塔出口氣換熱，不需要另設換熱設備，實現(xiàn)了能量的高效利用；3.本發(fā)明在第二、第三合成塔出口將新鮮氮氣混入，稀釋了進入第三、第四合成塔混合氣體中氨的濃度，從氨合成反應動力學角度來說，低的氨濃度可以使該反應更充分的向正反應方向進行；此外，氮氣的送入使第三、第四合成塔氫/氮比降低，從而克服釕催化劑氫吸附抑制氮吸附的缺點，使塔內操作環(huán)境與釕催化劑的催化特性相適宜；同時，新鮮氮氣與第二、第三合成塔出口氣換熱，實現(xiàn)了能量的高效利用。4.本發(fā)明在第三、第四合成塔均裝填氨合成釕催化劑，由于釕催化劑活性高，單位釕催化劑床層反應放熱量較高，床層溫升較大，而當溫度達到400 450之間，釕催化劑的載體一活性炭容易與氫氣發(fā)生甲烷化反應。因此，本發(fā)明為了提高生產效率，抑制甲烷化反應的發(fā)生，設置了裝填釕催化劑的雙塔流程，將每個釕塔的出口溫度均控制在甲烷化反應發(fā)生的溫度之下，此舉不但發(fā)揮了釕催化劑的高活性優(yōu)勢，提高了氨合成的效率，而且既避免了由于發(fā)生甲烷化反應導致的釕催化劑炭載體的流失，也減少了產物中甲烷的含量。


圖I是該發(fā)明的工藝流程圖。其中
權利要求
1.一種鐵催化劑串釕催化劑的氨合成工藝，其特征在于第一合成塔裝鐵系催化劑，第二合成塔裝鐵系催化劑，第三合成塔裝釕系催化劑，第四合成塔裝釕系催化劑，四個合成塔均為絕熱式合成塔，以串聯(lián)方式連接； 循環(huán)氣經循環(huán)氣壓縮機增壓至10 15MPa，循環(huán)氣壓縮機出口氣經換熱器換熱升溫至380°C后進入第一合成塔，塔入口氣中氨的體積含量為3 5%，通過第一合成塔床層的體積空速為lOOOOh—1，部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量，第一合成塔出口氣中氨的體積含量為8 13%，溫度為440 510°C ； 第一合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器A，新鮮合成氣經過新鮮合氣壓縮機增壓至·14.8MPa進入靜態(tài)混合器A與第一合成塔出口氣混合換熱，新鮮合成氣與第一合成塔出口氣的摩爾比為I : 3 4，控制新鮮合成氣的溫度使出靜態(tài)混合器A的氣體溫度為370 ·390 0C ； 靜態(tài)混合器A出口氣進入第二合成塔，通過第二合成塔床層的體積空速為lOOOOtT1，部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量；第二合成塔出口氣中氨的體積含量為13 18%，溫度為440 510°C ； 第二合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器B，新鮮氮氣經過新鮮氮氣壓縮機增壓至14. 6MPa進入靜態(tài)混合器B與第二合成塔出口氣混合換熱，第二合成塔出口氣與新鮮氮氣混合，控制新鮮氮氣的體積使混合后氣體中氫與氮摩爾比3 2. 5 1，控制新鮮氮氣的溫度使混合后氣體的溫度在360 370°C ； 靜態(tài)混合器B出口氣進入第三合成塔，通過第三合成塔床層的體積空速為lOOOOtT1，部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量；第三合成塔出口氣中氨的體積含量為17 21%，溫度為400 430°C ； 第三合成塔出口氣進入靜態(tài)混合器C，新鮮氮氣經過新鮮氮氣壓縮機B增壓至14. 6MPa進入靜態(tài)混C與第三合成塔出口氣混合換熱，新鮮氮氣與第三合成塔出口氣的氫與氮摩爾比為I : 3 4，出靜態(tài)混合器C的氣體溫度為360 370°C ； 靜態(tài)混合器C出口氣進入第四合成塔，通過第四合成塔床層的體積空速為IOOOOh-I，部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨，同時放出熱量，第四合成塔出口氣體中氨的體積含量為19 23%，溫度為400 430°C ； 第四合成塔出口氣進入氨分離器，分離出氨；未分離出的氨與未反應的氫氣、氮氣和惰性組分氬氣的混合物分為兩部分，一小部分作為馳放氣回收氫后排放，大部分作為循環(huán)氣循環(huán)到循環(huán)氣壓縮機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵催化劑串釕催化劑的氨合成工藝；第一、二合成塔裝鐵系催化劑，第三、四合成塔裝釕系催化劑，串聯(lián)連接；循環(huán)氣通過第一合成塔部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨；新鮮合成氣與第一合成塔出口氣混合；通過第二合成塔部分氫氣和氮氣在鐵系催化劑的作用下反應生成氨；新鮮氮氣與第二合成塔出口氣混合；通過第三合成塔部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨；新鮮氮氣與第三合成塔出口氣混合，通過第四合成塔部分氫氣和氮氣在釕系催化劑的作用下反應生成氨；出口氣進入氨分離器；未分離出的氨與未反應的氫氣、氮氣和惰性組分氬氣的混合物大部分作為循環(huán)氣；本工藝實現(xiàn)了能量的高效利用。
文檔編號C01C1/04GK102815723SQ20111015633
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權日2011年6月10日
發(fā)明者范明, 范建光, 白躍華, 孔繁華, 陳靜, 李文琦, 周華群, 何濤波, 張?zhí)旄? 魏可鎂, 王榕, 林建新 申請人:中國石油天然氣股份有限公司