低壓合成氨設備及低壓合成氨方法與流程
2023-05-13 15:20:16
本發明涉及技術領域，具體涉及一種低壓合成氨設備及一種低壓合成氨方法。
背景技術：
氨合成是一項高能耗的化工生產裝置，據不完全統計，不包括在建裝置，全國有650多座傳統氨合成工廠，傳統氨合成裝置運行壓力為12.0mpag～32.0mpag，傳統鐵基催化劑的活性溫度一般在400℃以上，受限於設備材質、結構設計等因素，氨合成反應器的出口溫度一般控制在450℃以內，上遊淨化後的h2/n2=3，在鐵催化劑上生成氨，其主要化學反應如下：
h2+n2===nh3-46.11kj/mol。
氨合成反應是放熱反應，降低反應區溫度有利氨合成反應向右推進，通常採用催化劑床層分成幾個反應區，採用在區間設置換熱器的方案移走反應熱量。但催化劑的起活溫度一般在350℃以上，完全激發催化劑活性得400℃以上，另外隨著反應進行，氨濃度增加，反應速度變慢。第一反應區因為進氣氨濃度較低具有較大的溫升空間，因此設置第一反應區入口溫度為350℃左右，其他各反應區入口氣體溫度控制在390～400℃為宜。
鑑於此，克服以上現有技術中的缺陷，提供一種新的低壓合成氨設備及低壓合成氨方法成為本領域亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的上述缺陷，提供一種低壓合成氨設備及一種低壓合成氨方法。
本發明的目的可通過以下的技術措施來實現：
一種低壓合成氨設備，與現有技術相比，其不同之處在於，該設備包括：
具有入口和出口的合成氨反應器，其在入口和出口之間包括在縱向方向上依次間隔設置的多個反應區，每個反應區分別具有反應區入口和反應區出口，反應氣體從上一個反應區的出口進入下一個反應區入口之前進行熱交換降溫處理，其中，位於頂端的第一個反應區填充有鐵基催化劑，其它反應區填充有釕基催化劑；
用於壓縮反應氣體和/或循環氣體的氣體壓縮裝置；
分別與所述合成氨反應器與所述氣體壓縮裝置連接的用於對氣體進行熱交換的熱交換器；以及
與所述熱交換器連接的氨冷卻分離裝置。
優選地，所述合成氨反應器的出口和所述熱交換器之間還設有餘熱回收裝置。
優選地，所述合成氨反應器在入口和出口之間依次包括間隔設置的第一反應區、第二反應區、第三反應區和第四反應區，合成氨反應器還包括一從第一反應區頂部到第三反應區出口貫穿設置的中心管，第四反應區至反應器出口的中心集氣管。
優選地，所述熱交換器通過管道裝置與所述合成氨反應器連接，所述管道裝置包括設於熱交換器和合成氨反應器底部之間的第一管道、設於熱交換器和第二反應區入口之間的第二管道、設於熱交換器和第二反應區出口之間的第三管道、和設於熱交換器和第三反應區出口之間的第四管道。
優選地，所述氨冷卻分離裝置包括：
與熱交換器連接的水冷器；
與水冷器和氣體壓縮裝置均連接的冷交換器；
與冷交換器連接的第一氨冷凝器；
與第一氨冷凝器連接的第二氨冷凝器；
與第二氨冷凝器和冷交換器均連接的第一氨分離器；
與第一氨分離器和氣體壓縮裝置均連接的第二氨分離器；以及
與第一氨冷凝器和第二氨分離器均連接的產品氨換熱器。
優選地，所述熱交換器和所述餘熱回收裝置的出口之間設有第五管道。
本發明還提供了一種低壓合成氨的方法，包括如下步驟：
將氮氣和氫氣組成的合成氣體進行壓縮的步驟；
將壓縮後的合成氣體進行加熱的步驟；
將加熱後的合成氣體依次在鐵基催化劑和釕基催化劑的催化下合成氨的步驟；
將氨氣進行餘熱回收的步驟；
將氨氣進行冷卻和分離的步驟。
優選地，所述合成氨步驟包括依次進行的四個合成氨階段，相鄰兩個階段之間對反應後的氣體進行熱交換以降低氣體溫度。
優選地，所述合成氣體被壓縮至9.0～10.0mpa(g)。
優選地，每個階段的反應溫度為310～430℃。
本發明的低壓合成氨設備中氨合成反應器分為多個反應區，反應氣體從上一個反應區的出口進入下一個反應區入口之前進行熱交換降溫處理，增加合成氨的效率；本發明的設備易於製造、施工簡單、操作容易、裝置布置緊湊，減少佔地面積；本發明的設備設計合理，能夠減少管道的數量，降低成本。
附圖說明
圖1是本發明一個優選實施例的低壓合成氨設備的結構示意圖。
圖2是本發明一個優選實施例的低壓合成氨設備中合成氨反應器結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在下文中，將參考附圖來更好地理解本發明的許多方面。附圖中的部件未必按照比例繪製。替代地，重點在於清楚地說明本發明的部件。此外，在附圖中的若干視圖中，相同的附圖標記指示相對應零件。
如本文所用的詞語「示例性」或「說明性」表示用作示例、例子或說明。在本文中描述為「示例性」或「說明性」的任何實施方式未必理解為相對於其它實施方式是優選的或有利的。下文所描述的所有實施方式是示例性實施方式，提供這些示例性實施方式是為了使得本領域技術人員做出和使用本公開的實施例並且預期並不限制本公開的範圍，本公開的範圍由權利要求限定。在其它實施方式中，詳細地描述了熟知的特徵和方法以便不混淆本發明。出於本文描述的目的，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「豎直」、「水平」和其衍生詞將與如圖1定向的發明有關。而且，並無意圖受到前文的技術領域、背景技術、發明內容或下文的詳細描述中給出的任何明示或暗示的理論限制。還應了解在附圖中示出和在下文的說明書中描述的具體裝置和過程是在所附權利要求中限定的發明構思的簡單示例性實施例。因此，與本文所公開的實施例相關的具體尺寸和其他物理特徵不應被理解為限制性的，除非權利要求書另作明確地陳述。
圖1示出了一種低壓合成氨設備，包括：合成氨反應器10、氣體壓縮裝置20、熱交換器30、餘熱回收裝置40和氨冷卻分離裝置50。
其中，合成氨反應器10具有入口和出口。氣體壓縮裝置20用於壓縮反應氣體和/或循環氣體。熱交換器30分別與合成氨反應器10與氣體壓縮裝置20連接，用於對氣體進行熱交換。氨冷卻分離裝置50與所述熱交換器30連接。餘熱回收裝置40設於合成氨反應器10的出口和熱交換器30之間。該低壓合成氨設備還包括一個與合成氨反應器10入口連通的開工加熱爐60。
合成氨反應器10在其在入口和出口之間包括在縱向方向上依次間隔設置的多個反應區，每個反應區分別具有反應區入口和反應區出口，反應氣體從上一個反應區的出口進入下一個反應區入口之前進行熱交換降溫處理。具體地，在一個優選實施方式中，合成氨反應器10在入口和出口之間依次包括間隔設置的第一反應區101、第二反應區102、第三反應區103和第四反應區104，合成氨反應器10還包括一個從第一反應區101頂部到第三反應區103出口貫穿設置的中心管108。第一反應區101具有入口101a和出口101b，第二反應區102具有入口102a和出口102b，第三反應區103具有入口103a和出口103b，第四反應區104具有入口104a和出口104b，其中，第一反應區101填充有鐵基催化劑，第二反應區102、第三反應區103和第四反應區104均填充有釕基催化劑。
熱交換器30通過管道裝置與所述合成氨反應器10連接，所述管道裝置包括設於熱交換器30和合成氨反應器10底部的、與第一反應區101入口101a處連通的第一管道701、設於熱交換器20和第一反應區101入口101a之間進行溫度調節的第二管道702、設於熱交換器30和第二反應區102出口102b之間進行溫度調節的第三管道703、和設於熱交換器30和第三反應區103出口103b之間進行溫度調節的第四管道704。具體地，整個合成氨反應器10在結構上分內件和外筒，其中反應所用的催化劑和反應器內置的換熱器均設於內件上，與外筒分開，第一管道701是主進氣管道，從第一管道701進氣後，氣體沿著外筒內壁進入反應器10上部，後沿上部的中心管108從上至下一直進入反應器10最底部的換熱器管側換熱，大部分氣體由反應器10最底部的換熱器管側換熱後上升至反應器10上部換熱器管側，再進入第一反應區101，再依次軸向進入第二反應區102、第三反應區103、第四反應區104，其中氣體在軸向向下移動的過程中，同時可以徑向進入反應器10上部兩個換熱器的殼程，催化劑床層的兩個換熱器殼程採用多空的魚鱗板結構，氣體可以徑向進入。因此，第三反應區103、第四反應區104之間沒有直接設置管道接口，但是氣體可以到達該區域，由軸向催化劑直接進入第四反應區104。第四管道704連通至第二反應區102底部，可以到達第二反應區102和第三反應區103之間的區域。第三管道703連通至第一反應區101和第二反應區102之間的區域，第二管道702連通至第一反應區101內。
餘熱回收裝置40包括相互連接的中壓廢熱鍋爐401和鍋爐給水預熱器402。熱交換器30和餘熱回收裝置40（中壓廢熱鍋爐401）的出口之間設有第五管道705。第一反應區101和開工加熱爐60之間設有第六管道706，用於反應初始階段。
氨冷卻分離裝置50包括：與熱交換器30連接的水冷器501；與水冷器501和氣體壓縮裝置20均連接的冷交換器502；與冷交換器502連接的第一氨冷凝器503；與第一氨冷凝器503連接的第二氨冷凝器504；與第二氨冷凝器504和冷交換器502均連接的第一氨分離器505；與第一氨分離器505和氣體壓縮裝置20均連接的第二氨分離器506；以及與第一氨冷凝器503和第二氨分離器506均連接的產品氨換熱器507。
本發明的目的在於提供一種釕基催化劑的低壓氨合成工藝方法以滿足國內傳統中大型氨合成裝置節能減排要求。整個單元裝置無廢氣排放。本發明工藝方法具有生產裝置佔地面積少，工藝流程簡單，便於操作，投資省等特點。
為達到上述目的的釕基催化劑的低壓氨合成工藝,原料h2、n2需經過淨化處理後h2/n2=3.0（分子比）。
為達到上述目的選擇釕基氨合成催化劑（催化劑不屬於本發明的範圍），總s≤0.1ppm、總o≤20ppm（以原子計），其他催化劑毒物不可檢測出。以滿足新型氨合成催化劑的要求。
為達到上述目的，所控制氨合成反應器的操作溫度在140～430℃。從化學平衡與反應速率考慮，提高溫度反應速率增加，同時催化的活性也增加。但提高溫度對反應器及催化劑的使用壽命有嚴重影響，所需管道、設備材質要求得提高，增加投資。各反應區出口氣體實際溫度比出口氣體組成所對應的平衡溫度要低，這兩個溫度之差稱為「平衡溫距」，從化學平衡上考慮，溫度的增加不利於正反應進行；本發明按反應器中軸向分為3～4個反應區，另外利用傳統鐵基催化劑抗毒性強、耐高溫、活性溫度範圍廣的特點，第一反應區裝填傳統鐵基催化劑，其他反應區裝填新型釕基催化劑；控制的平衡溫距為15℃～30℃；所控制的合成反應操作壓力為9.0～10.0mpa(g)。從化學平衡的角度考慮，增加壓力對正反應有利，壓力越高，出口氣體平衡組成中nh3含量越高，壓力過高，會引起催化劑床層粉化、板結，反應器壓力降增加。為保證催化劑活性、壽命，滿足大規模生產的需要，降低投資，反應器操作壓力控制在10.0mpa(g)以內為宜。
本發明還相應地提供了應用上述低壓合成氨設備進行低壓合成氨的方法，該方法包括如下步驟：
將氮氣和氫氣組成的合成氣體進行壓縮的步驟；
將壓縮後的合成氣體進行加熱的步驟；
將加熱後的合成氣體在釕基催化劑的催化下合成氨的步驟；
將氨氣進行餘熱回收的步驟；
將氨氣進行冷卻和分離的步驟。
其中，所述合成氨步驟包括依次進行的四個合成氨階段，相鄰兩個階段之間對反應後的氣體進行熱交換以降低氣體溫度。所述合成氣體被壓縮至9.0～10.0mpa(g)。每個階段的反應溫度為310～430℃。
釕基催化劑的低壓氨合成工藝採用不同於鐵基催化劑的具有低溫、低壓條件下高活性特點的釕基催化劑，將合成迴路的壓力降低至10.0mpa(g)以下，各反應區的進氣溫度控制在310～370℃，反應器出口溫度控制在400～430℃，從而大大的減少了氨合成裝置的設備投資和能耗。
採用本發明工藝方法經過上述一系列過程後能得到較高的合成氨淨值≥17%，再經冷卻液氨分離便得到所需的氨化工產品。
具體地，①合成氣壓縮
來自上遊裝置的h2、n2氣體經合成氣壓縮機（氣體壓縮裝置20）低壓缸壓縮至約9.2mpa(g)後與來自合成迴路的循環氣混合後進入壓縮機的高壓缸，經高壓缸增壓至10.0mpa(g)後進入熱交換器30換熱至150℃後進入反應器。
②氨合成反應區
經熱交換器30換熱後的合成氣分成5路，依次通過第一管道701、第二管道702、第三管道703、第四管道704和第五管道705輸送，其中，第二路和第三路兩路冷氣（冷激氣）作為冷激氣分別通過第二管道702和第三管道703直接進入反應區分別用於調節第一反應區101入口101a、第二反應區102入口102a溫度；第一、第四兩路氣體分別進入反應器10內部的中上層間換熱器管程與出第二反應區102反應後的氣體、第三反應區103反應後的氣體換熱後，溫度升高到330～350℃並沿中心管108上升至第一反應區101頂部，到達頂部的第一和第四路氣體經所述第二路冷激氣調節至合適的溫度後，進入第一反應區101反應。出第一反應區101出口101b的工藝氣經第三路冷激氣調整至合適溫度後，沿徑向方向進入第二反應區102反應。出第二反應區102出口102b的工藝氣進入上層間換熱器殼程，經冷卻氣調節溫度後，再由外向內沿徑向方向進入第三反應區103。出第三反應區103出口103b的工藝氣進入中間換熱器殼程，經冷卻氣換熱後，同樣由外向內沿徑向方向進入第四反應區104反應，出塔工藝氣400～410℃直接進入直連式合成廢鍋401。第五路合成氣在催化劑升溫還原階段直接與廢熱鍋爐401出口合成氣混合用於還原階段降低廢鍋出口氣體溫度小於300℃。
③氨合成迴路餘熱回收
反應後的氣體經反應器10下部帶有內保溫的連接鍛件直接進入直連式合成廢鍋401，副產2.5mpa的飽和蒸汽。工藝氣溫度降至220～240℃進入鍋爐給水預熱器402加熱鍋爐水，鍋爐給水預熱器402出來的氣體150～165℃進入熱交換器30管程，用以加熱殼程的入反應器10氣體。考慮到反應器10中催化初末期活性不同，（一般前期入塔溫度較低、後期較高），為了能夠方便的調節入反應器催化劑、初末期氣體溫度，鍋爐給水預熱器402進出口設置旁路調節閥。
④產品液氨的冷卻分離
出熱交換器的工藝氣溫度降至70～75℃後進入水冷器501進一步冷卻到30～35℃。出水冷器501的工藝氣進入冷交換器502的管程，與殼程冷氣換熱，溫度降低到21～24℃後依次進入第一氨冷凝器503和第二氨冷凝器504，溫度降低到-12℃後進入第一氨分離器505分離出冷凝液氨，第一氨分離器505分離液氨後的氣體再進入冷交換器502回收冷量。出冷交換器502的工藝氣進入壓縮機高壓缸與低壓缸增壓後的合成氣混合壓縮，進行下一輪循環。第一氨分離器505分離出的液氨，減壓至3.1mpa（g）進入第二氨分離器506分離出不凝氣，第二氨分離器506的產品液氨在產品氨換熱器507中與冷凍液氨換熱後送入氨庫，第二氨分離器506分離出的氣體則去壓縮機低壓缸入口與新鮮氣混合。
關鍵設備操作參數（實例典型數據）:
①氨合成反應器
反應器形式:軸徑向；
反應器入口氣量：70547～10780m3/h；
入口氫氣/氮氣（摩爾）：2.85～3.05；
反應器入口溫度：140℃；
反應器出口溫度：420℃；
反應器區間換熱器設計溫度：550℃；
反應器外筒設計溫度：285℃；
反應器外筒設計壓力：10.5mpa（g）；
催化劑裝量：50m3（30m3鐵基+20m3釕基）；
廢熱鍋爐副產蒸汽壓力：2.5～4.0mpa（g）。
②催化劑床層分區設計
第一反應區入口溫度：310℃；
第一反應區出口溫度：459℃；
第二反應區入口溫度：318℃；
第二反應區出口溫度：428℃；
第三反應區入口溫度：342℃；
第三反應區出口溫度：416℃；
第四反應區入口溫度：375℃；
第四反應區出口溫度：406℃。
本發明的設備及方法的優點如下：
1、採用本發明建設的生產裝置，其工藝設備易於製造、施工簡單、操作容易、裝置布置緊湊，減少佔地面積，符合環保標準；
2、用本發明建設的生產裝置，比同規模其它工藝技術生產裝置設備、管道及材質節省總投資約15%，具有明顯的經濟效益；
3、用本發明建設的生產裝置，合成氣壓縮機功耗降低約15%，具有明顯的市場競爭效益；
4、水冷器入口溫度降至75℃以內，減少循環水消耗。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。