膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝的製作方法

2023-09-23 14:39:30 1

專利名稱：：膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種烴類蒸汽轉化工藝方法，尤其是一種利用氫氣燃燒熱量供給烴類深度轉化製取合成氨原料氣的二段轉化爐烴類蒸汽轉化工藝方法。
背景技術：
：合成氨是國民經濟的支柱產業，產量居各種化工產品首位。同時也是能源消耗大戶，世界上大約有10%的能源用於合成氨。合成氨生產的能耗約90%集中在原料能耗和燃料能耗兩部分。隨著能源危機的日益加劇，提高合成氨廠天然氣的原料利用率成為合成氨裝置節能降耗的一種重要途徑。二段轉化爐是合成氨造氣工段的主要設備之一。原料氣甲烷在一段轉化爐中發生蒸汽轉化後進入二段轉化爐，並按一定比例加入壓縮工藝空氣。在二段轉化爐中，一方面利用空氣中所含02和一段轉化所生成H2的燃燒熱提供甲烷深度轉化所需的高溫環境，另一方面利用空氣中所含N2配入合成反應所需的N2。因此，保證甲烷高轉化率和適宜H/N比，是控制二段轉化爐進口空氣用量的兩個重要依據。目前，合成氨工藝普遍採用過量空氣或富氧空氣進入二段轉化爐。加入過量空氣，可以提供甲烷深度轉化所需的高溫條件，但常需在後續工段中加設深冷分離裝置除去過量的N2，既增加了投資費用和動力消耗，又由於H2在深冷分離裝置的回收率所限，降低了原料的利用率；採用富氧空氣，可以在二段轉化爐中獲得適宜的H/N比，提高H2的燃燒速度和熱利用率。但是仍然存在原料天然氣利用效率降低的缺點，即由於甲烷在一段轉化爐中經蒸汽轉化生成H2的轉化效率僅約50。/。，H2的燃燒熱僅約為甲烷燃燒熱的30%，因此在二段轉化爐中燃燒H2提供甲烷深度轉化所需熱量的方法，增加了天然氣的原料及燃料能耗。現有製備富氧空氣或富氮空氣的方法有深冷分離、變壓吸附、膜分離等三種。其中深冷分離、變壓吸附方法可以獲得較高純度(大於90%摩爾分率，下同)的富氧或富氮空氣，但能耗較大；膜分離法可以製備富氧30-40%，富氮>90%的空氣，具有能耗低、裝置簡單、啟動速度快等優點。上述三種裝置用於合成氨造氣工藝時，通常只應用其富集氧氣的作用。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種對二段轉化爐進口空氣進行富氮調節，提高天然氣原料利用率、增產氫氣的二段轉化爐烴類蒸汽轉化工藝方法。本發明對二段轉化爐進口工藝空氣進行富氮調節，從而減少二段轉化爐中H2的燃燒量，同時在空氣預熱器中將工藝空氣預熱至更高的溫度，滿足二段轉化爐中甲烷高轉化率的要求。膜分離器滲透側富氧氣加入一段轉化爐進行富氧燃燒，以提天然氣的燃燒效率。本發明的技術方案如下利用空氣壓縮機系統，將空氣加壓，然後使部分壓縮空氣經冷卻器調節溫度至40-6(TC，精密過濾器除去雜質後，進入中空纖維式氧氮膜分離器。採用氧氮膜分離器分離其中的氧氣和氮氣。由於氮氣、氧氣在膜中滲透速率的不同，在膜分離器的滲透側獲得富氧氣，滲餘側獲得富氮氣。經氧氮膜分離器分離後，滲餘側富氮空氣濃度約為80-95%(摩爾分率，下同)，滲透側富氧空氣濃度約為28-40%。氧氮膜分離器的滲透側獲得富氧空氣，加入一段轉化爐進行助燃。富氧燃燒可以降低一段轉化爐天然氣燃燒的空氣過剩係數，提高火焰溫度，增加天然氣的熱能利用率。由於富氮空氣壓力基本不變，可以直接與空氣壓縮機出口壓縮空氣混合作為工藝空氣，經空氣預熱器預熱後進入二段轉化爐。調節富氮空氣的濃度以及空氣預熱器的熱負荷，在保證二段轉化爐中適宜H/N比(2.4-3.0)和甲烷高轉化率(殘餘甲烷含量通常控制0.5%以下)的前提下，將二段轉化爐熱負荷向空氣預熱器轉移，即在空氣預熱器中將工藝空氣預熱至更高的溫度，以減少二段轉化爐中的氫氣燃燒量，因此增加氫氣的產量。所述空氣壓縮機系統是指多級壓縮機，級間設置冷卻器和氣液分離罐。所述空氣預熱器的加熱介質是天然氣或煤等燃料燃燒產生的高溫煙道氣。所述富氧空氣的壓力通過調節氧氮膜分離器的跨膜壓差進行調節，使其可以直接進入一段轉化爐進行助燃。本發明的有益效果是相對於現有二段轉化爐烴類蒸汽轉化工藝，本發明將二段轉化爐熱負荷向空氣預熱器轉移，即在空氣預熱器中將工藝空氣預熱至更高的溫度，以減少二段轉化爐中的氫氣燃燒量，因此增加氫氣的產量(即增產氨)。通過膜分離法富集氮氣，以及調節進入膜分離器的壓縮空氣流量，可以獲得不同濃度的富氮空氣，滿足不同預熱器熱負荷下二段轉化爐操作的適宜H/N比和甲烷高轉化率，提高合成氨裝置的操作彈性。膜分離法副產的富氧氣進入一段轉化爐作為助燃劑，可以提高天然氣的燃料利用率。附圖是膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝流程圖。圖中l空氣壓縮機；2冷卻器；3精密過濾器；4氧氮膜分離器；5空氣預熱器；6二段轉化爐。具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細本發明的具體實施例。實施例l:利用四級空氣壓縮機1將工藝空氣逐級加壓至3.49Mpa(g)，利用氣液分離罐分離每級壓縮產生的液體，利用級間冷卻器將空氣冷卻至153，壓縮空氣的流量和組成如下表l所示tableseeoriginaldocumentpage56。二段轉化爐的另一股進料是來自一段轉化爐的工藝氣，溫度為822。C、壓力為3.20Mpa(g)，流量為4200.65kmol/h，組成如下表2所示tableseeoriginaldocumentpage5經空氣預熱器5預熱後進入二段轉化爐的工藝空氣的參數為:tableseeoriginaldocumentpage5實施例2:利用四級空氣壓縮機1將工藝空氣逐級加壓至3.49Mpa(g)，利用氣液分離罐分離每級壓縮產生的液體，利用級間冷卻器將空氣冷卻至153'C。然後使部分壓縮空氣經冷卻器2調節溫度至4(TC，精密過濾器3除去雜質後，進入中空纖維式氧氮膜分離器4。由於壓縮空氣中的氧氣在聚合物膜材料中優先透過，在膜分離器的滲透側獲得富氧空氣，滲餘側獲得富氮空氣。經膜分離器分離後，滲餘側富氮空氣濃度約為80%(摩爾分率，下同)，滲透側富氧空氣濃度約為30%。膜分離器滲透側獲得的富氧空氣加入一段轉化爐進行助燃。滲餘側富氮空氣的壓力與壓縮空氣基本相等，作為冷卻器2中的冷流體，與溫度較高的壓縮空氣換熱，然後直接與空氣壓縮機l出口的另一部分壓縮空氣混合作為工藝空氣，經空氣預熱器5預熱後進入二段轉化爐。二段轉化爐的另一股進料為來自一段轉化爐的工藝氣，參數與實施例l相同。經空氣預熱器5預熱後進入二段轉化爐的工藝空氣的參數為tableseeoriginaldocumentpage6:段轉化爐的出口工藝氣中，主要控制指標為tableseeoriginaldocumentpage6實施例3:利用四級空氣壓縮機1將工藝空氣逐級加壓至3.49Mpa(g)，利用氣液分離罐分離每級壓縮產生的液體，利用級間冷卻器將空氣冷卻至153'C。然後使部分壓縮空氣經冷卻器2調節溫度至4(TC，精密過濾器3除去雜質後，進入中空纖維式氧氮膜分離器4。由於壓縮空氣中的氧氣在聚合物膜材料中優先透過，在膜分離器的滲透側獲得富氧空氣，滲餘側獲得富氮空氣。經膜分離器分離後，滲餘側富氮空氣濃度約為90%(摩爾分率，下同)，滲透側富氧空氣濃度約為28%。膜分離器滲透側獲得的富氧空氣加入一段轉化爐進行助燃。滲餘側富氮空氣的壓力與壓縮空氣基本相等，作為冷卻器2中的冷流體，與溫度較高的壓縮空氣換熱，然後直接與空氣壓縮機l出口的另一部分壓縮空氣混合作為工藝空氣，經空氣預熱器5預熱後進入二段轉化爐。二段轉化爐的另一股進料為來自一段轉化爐的工藝氣，參數與實施例l相同。經空氣預熱器5預熱後進入二段轉化爐的工藝空氣的參數為tableseeoriginaldocumentpage660078.751985.00:段轉化爐的出口工藝氣中，主要控制指標為CH4含量/幹基呢氫氮比H2流量/kmol/h出口溫度廣c0.46402.9863876.40952.3上述三個實施例中，進入二段轉化爐的工藝空氣的富氮程度依次增加，通過增加空氣預熱器5的熱負荷，可以補充由於工藝空氣中氧氣濃度降低造成的二段轉化爐熱量供應不足。上述三個實施例中，二段轉化爐的主要控制指標甲烷含量和氫氮比近似相等，而二段轉化爐出口的氫氣流量隨工藝空氣的富氮程度增加而逐漸提高，表明本發明的二段轉化爐富氮工藝空氣進料可以有效提高天然氣的原料利用率，增產氫氣(即增產氨)。權利要求1.一種膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝，其特徵在於利用空氣壓縮機(1)，將空氣加壓，然後使部分壓縮空氣經冷卻器(2)調節溫度至40-60℃，精密過濾器(3)除去雜質後，進入氧氮膜分離器(4)；採用氧氮膜分離器分離其中的氧氣和氮氣，在氧氮膜分離器(4)的滲透側獲得富氧氣，滲餘側獲得富氮氣；經氧氮膜分離器(4)分離後，富氮空氣直接與空氣壓縮機(1)出口壓縮空氣混合作為工藝空氣，經空氣預熱器(5)預熱後進入二段轉化爐(6)；調節富氮空氣的濃度以及空氣預熱器(5)的熱負荷，保證二段轉化爐(6)中H/N比和甲烷高轉化率，將二段轉化爐熱負荷向空氣預熱器(5)轉移；所述空氣壓縮機(1)是指多級壓縮機，級間設置冷卻器和氣液分離罐；所述空氣預熱器(5)的加熱介質是燃料燃燒產生的高溫煙道氣；所述富氧空氣的壓力通過調節氧氮膜分離器(4)的跨膜壓差進行調節，使其直接進入一段轉化爐進行助燃。2.一種膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝，其特徵在於:所述空氣壓縮機(1)使用四級壓縮機。全文摘要本發明公開了一種膜法富氮空氣輸入二段轉化爐的合成氨造氣工藝，其特徵是將空氣加壓後部分進入膜分離器。膜分離器滲餘側獲得的富氮空氣可以直接與空氣壓縮機出口空氣混合作為工藝空氣，經空氣預熱器被高溫煙道氣加熱後進入二段轉化爐。調節工藝空氣中的富氮濃度以及空氣預熱器的熱負荷，保證二段轉化爐中的適宜H/N比和甲烷高轉化率。膜分離器的滲透側獲得富氧空氣，加入一段轉化爐進行助燃，提高天然氣的燃料利用率。該工藝通過在空氣預熱器中將工藝空氣預熱至更高的溫度，以減少二段轉化爐中的氫氣燃燒量，提高天然氣的原料利用率。文檔編號C01B21/04GK101580234SQ200910303499公開日2009年11月18日申請日期2009年6月22日優先權日2009年6月22日發明者振何,吳雪梅,柏學森,汪啟富,瑜石,賀高紅,郭瑞華,思陳申請人:大連理工大學;貴州赤天化股份有限公司