氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝的製作方法
2023-10-18 01:46:49 4
專利名稱：氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及合成氨廠氨合成圈的工藝改進，具體的說，是一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝。
背景技術：
目前氨合成系統大多使用傳統的熔鐵催化劑，採取單塔操作，少數採用多塔並聯或串聯。1992年11月美國Kellogg公司與英國BP公司聯合開發的活性炭載釕氨合成催化劑，第一次成功地工業化應用於加拿大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H2O、CO、CO2、NH3不敏感，可以大大提高系統的氨合成能力，降低氨合成的能耗和設備投資。美國專利US 4,568,532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組成。其中第一合成塔使用傳統的塔結構，裝的是鐵催化劑，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160～220kg/cm2時，終塔出口氣氨的體積含量為15～24％。
中國專利申請CN 1229058A，公開了一種多塔串聯的氨合成工藝，據介紹該工藝可使各合成塔出塔氣體氨含量逐塔提高，從而使系統循環氣量減少，能耗降低。但由於該工藝採用H2、N2循環氣在進入塔外換熱器升溫之前，先通入各合成塔的夾套內換熱，使塔壁冷卻，再匯合併入塔外換熱器。由於H2、N2循環氣在進入塔外換熱器升溫之前的溫度為室溫，若直接通入在高含氨量合成氣下工作的第二及後續各塔的夾套內進行換熱，不適應釕催化劑對合成環境的要求。
傳統的氨合成工藝使用熔鐵催化劑，在450～500℃高溫，20～32MPa壓力下進行。高活性的釕基氨合成催化劑的誕生，使得在較低溫度和壓力下進行氨的高效合成成為可能。因此，對傳統的工藝進行技術改造成了必然性。
發明內容
為了克服現有進行氨合成的大、中、小型合成氨廠使用傳統工藝的不足，本發明提出了一種可以達到高效節能合成氨之目的技術改造方案一氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是在至少含有二個合成塔的氨合成系統中，第一合成塔裝鐵系氨合成催化劑，第二合成塔及後續各塔裝釕基氨合成催化劑，或第一與第二合成塔均裝鐵系催化劑，第三及後續各塔裝釕系催化劑，各塔以串聯方式連接，實施氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是H2、N2循環氣經加壓並分離除油後，約有100～50％進入第一個合成塔的夾套內進行換熱，另有約0～50％循環氣與從第一合成塔夾套出來的提溫氣體的一部分(約佔提溫氣總量的2～100％)混合，調節混合氣的溫度為30～50℃後，再引入第二及之後各塔的夾套內進行換熱，換熱後的氣體與第一塔夾套流出的氣體合併後進入塔外換熱器，與來自廢熱鍋爐的出塔反應氣換熱升溫後入合成塔反應，反應氣體出合成塔系統後，依次經廢熱鍋爐、塔外換熱器冷卻後去水冷工序。所述的H2、N2循環氣以串聯方式依次通入各合成塔，即首先通入第一個合成塔，在塔內換熱器換熱升溫後進入催化劑層反應，一部分H2、N2氣轉化成NH3，隨後再經塔內換熱器冷卻出塔，並直接導入第二合成塔中，在塔內換熱器換熱升溫後進入催化劑層反應，其中又有部分H2、N2氣被反應轉化成NH3，隨後再經塔內換熱器冷卻出塔，氣體出塔後又直接進入下一個合成塔，如此直至最後一個合成塔；終塔出塔氣體依次通入上述廢熱鍋爐、塔外熱交換器冷卻後去水冷工序。
本發明的有益效果是由於本發明採用上述鐵串釕多塔串聯的氨合成工藝，使H2、N2氣經多段高效反應，氨轉化率得到大大提高。除裝鐵系催化劑的合成塔熱點溫度為450℃及以上外，裝釕系催化劑的各塔熱點溫度均低於450℃甚至低於430℃。當使用含多層催化劑床的合成塔內件時，第一合成塔各催化劑層間冷卻介質使用溫度為室溫至50℃的H2、N2循環氣。第二合成塔各催化劑層間的冷卻介質使用經第一塔合成後含高濃度氨氣體的冷卻氣，或是該氣體與H2、N2循環氣的混合氣，其餘各塔的情況類推。由於實施了技術改造，所以本發明在第二或第三及後續各合成塔內使用高活性的釕系氨合成催化劑；第一合成氣壓力為＞22.0～26.0MPa時，終塔出口氣的體積含氨量可達20～25％。
以下結合附圖流程說明及實施例對各控制點溫度和氣體的氨含量數據進行進一步的說明。
圖1表示二個合成塔串聯的氨合成工序流程示意圖。
圖1中各控制點數據如下A是原料氣與系統循環氣輸入各合成塔塔壁夾套前的控制點，該點氣體溫度為室溫，NH3含量4％。
B是氣體通過夾套與各塔塔壁換熱升溫後流出夾套並匯合的控制點，該點溫度為55～80℃，NH3含量4％。
C是來自B點的氣體經塔外換熱器換熱升溫之後進合成塔2之前的控制點，該點的控制溫度為190℃，NH3含量4％。
D是氣體出合成塔2之後，入合成塔7之前的控制點，該點的控制溫度為320℃，NH3含量14～16％。
E是氣體進入合成塔7塔壁夾套前的控制點，該點氣體溫度為30～50℃，NH3含量4％。
F是氣體出合成塔7之後，入廢熱鍋爐14之前的控制點，該點控制溫度為400℃，NH3含量20～25％。
G是氣體出廢熱鍋爐之後，去塔外換熱器10之前的控制點，該點控制溫度為250℃，NH3含量20～25％。
H是上述G點氣體經與B點氣體換熱降溫後，出塔外換熱器之後的控制點，該點控制溫度為100℃，NH3含量20～25％。
圖中1經壓縮除油後的循環氣，2合成塔，3合成塔2夾套流出氣，4為3的分支，5為3的分支，6循環氣分支，7合成塔，8合成塔7夾套流出氣，9為4與8的混合氣，10塔外換熱器，11為出10後進2的氣，12為2進7的氣線，13為從7進入廢熱鍋爐的氣線，14廢熱鍋爐，15為出14的氣線，16為出10去冷水加熱器的氣線，17為鹽水泵的水，18為產自14的蒸汽去蒸汽管網。
具體實施例方式
實施例1請參閱附圖1，圖中合成塔2裝填傳統的鐵系催化劑，合成塔7裝填新型釕系氨合成催化劑，二個合成塔以串聯方式連接。通過循環壓縮機增壓並經油分離器除油後的H2、N2循環氣，經管線1，約有佔循環氣總量80％的氣體通入合成塔2的塔壁夾套內，用以冷卻塔壁，另有佔循環氣總量20％的氣體經管線6與管線3流出的提溫後氣體的一部分(約佔提溫氣總量的2～100％)經管線5與之相混合，調節混合氣的的溫度為40℃後，導入合成塔7的塔壁夾套內，用以冷卻塔壁。從合成塔2夾套經管線3流出的氣體的一部分(約佔總量的2～100％)經過管線4，從合成塔7塔壁夾套流出的氣體經管線8，二股氣體匯合後經管線9進入塔外換熱器10升溫後經管線11通入合成塔2，經塔內換熱器換熱升溫後進催化劑床層反應，部分H2、N2氣轉化為NH3，反應後氣體經塔內換熱器降溫後流出塔2，出塔氣體通過管線12直接進入合成塔7，經塔內換熱器換熱升溫後進催化劑床層反應，又有部分H2、N2氣轉化為NH3，反應後氣體經塔內換熱器降溫後流出塔7，塔7流出的氣體(含氨量約為20～25％)經管線13通入廢熱鍋爐14，與來自鹽水泵17的脫鹽水換熱後降溫，降溫後的氣體經管線16去軟水加熱器等裝置，經分離氨，並經循環機加壓後返回氨合成系統再反應。管線18為廢熱鍋爐產生的蒸汽通往蒸汽管網。
對於使用多催化劑床層的合成塔內件，合成塔2各催化劑床層間冷卻介質使用溫度為室溫至50℃的H2、N2循環氣，合成塔7各催化劑床層間冷卻介質使用經合成塔2合成後，並經冷卻後的含高濃度氨的H2、N2、NH3混合氣，或是該氣體與原低溫H2、N2循環氣的混合氣，混合氣的溫度為30～110℃。本實施例在循環氣成份為H2＝61％，CH4＝8％，NH3＝4％，第一合成氣壓力為22.1MPa情況下，第二合成塔出口NH3體積含量為23％。
權利要求
1.在至少含有二個合成塔的氨合成系統中，第一合成塔裝鐵系氨合成催化劑，第二合成塔及後續各塔裝釕基氨合成催化劑，或第一與第二合成塔均裝鐵系催化劑，第三及後續各塔裝釕系催化劑，各塔以串聯方式連接，實施氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是H2、N2循環氣經加壓並分離除油後，約有100～50％進入第一個合成塔的夾套內進行換熱，另有0～50％循環氣與從第一合成塔夾套出來的提溫氣體的2～100％混合，調節混合氣的溫度為30～50℃後，再引入第二及之後各塔的夾套內進行換熱，換熱後的氣體與第一塔夾套流出的氣體合併後進入塔外換熱器，與來自廢熱鍋爐的出塔反應氣換熱升溫後入合成塔反應，反應氣體出合成塔系統後，依次經廢熱鍋爐、塔外換熱器冷卻後去水冷工序。
2.根據權利要求1所述的一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是所述的H2、N2循環氣以串聯方式依次通入各合成塔，即首先通入第一個合成塔，在塔內換熱器換熱升溫後進入催化劑層反應，一部分H2、N2氣轉化成NH3，隨後再經塔內換熱器冷卻出塔，並直接導入第二合成塔中，在塔內換熱器換熱升溫後進入催化劑層反應，其中又有部分H2、N2氣被反應轉化成NH3，隨後再經塔內換熱器冷卻出塔，氣體出塔後又直接進入下一個合成塔，如此直至最後一個合成塔；終塔出塔氣體依次通入上述廢熱鍋爐、塔外熱交換器冷卻後去水冷工序。
3.根據權利要求1所述的一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是在第二或第三及後續各合成塔內使用高活性的釕系氨合成催化劑。
4.根據權利要求1所述的一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是使用含多層催化劑床的合成塔內件時，第一合成塔各催化劑層間冷卻介質使用溫度為室溫至50℃的H2、N2循環氣。
5.根據權利要求1所述的一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是第二合成塔各催化劑層間的冷卻介質使用經第一塔合成後含高濃度氨氣體的冷卻氣，或是該氣體與H2、N2循環氣的混合氣，混合氣的溫度為30～130℃，後續各塔的情況類推。
6.根據權利要求1所述的一種氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是第一合成氣壓力為＞22.0～26.0MPa時，終塔出口氣的體積含氨量可達20～25％。
全文摘要
本發明公開了一種至少含有二個合成塔的氨合成系統中，第一合成塔裝鐵系氨合成催化劑，第二合成塔及後續各塔裝釕基氨合成催化劑，或第一與第二合成塔均裝鐵系催化劑，第三及後續各塔裝釕系催化劑，各塔以串聯方式連接，實施氨合成鐵催化劑串釕催化劑工藝，其特徵是H
文檔編號C01C1/04GK1544328SQ20031011623
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月12日 優先權日2003年11月12日
發明者魏可鎂, 王榕, 林建新, 俞秀金, 毛樹祿 申請人:福州大學