專利名稱:生產(chǎn)氨和二氧化碳的方法
本發(fā)明為一種生產(chǎn)氨和二氧化碳的方法。在該方法中，用蒸汽轉(zhuǎn)化把一種富輕質(zhì)烴的原料氣轉(zhuǎn)化成裂化氣，再經(jīng)過一氧化碳轉(zhuǎn)化操作和分離把裂化氣變成氫氣、二氧化碳及殘余氣體。把該工藝制得的氫氣和氮氣一起同時送至合成氨操作。
在用輕質(zhì)烴原料氣，例如天燃氣生產(chǎn)合成氨的過程中，首先用蒸汽轉(zhuǎn)化法得到含氫氣和碳的氧化物的裂化氣，然后進一步對其進行處理制得適于合成氨操作的原料氣。在這方面，按照傳統(tǒng)的方法，要首先使蒸汽轉(zhuǎn)化操作放出的氣體在二次轉(zhuǎn)化爐中進一步與空氣反應(yīng)。采用這種工藝一方面仍然存在于氣體中的烴進一步被轉(zhuǎn)化成裂化氣，另一方面把合成氨操作所需的氮氣輸進裂化氣。裂化氣中含有的一氧化碳再用蒸汽轉(zhuǎn)化成氫氣和二氧化碳，最后在剩余氣體里不含殘余的碳的氧化物雜質(zhì)之前，在甲烷化步驟中把二氧化碳從裂化氣中分離出來，送至合成氨操作。在這種裂化氣制備過程中，二氧化碳是作為副產(chǎn)品在二氧化碳的洗氣操作中制備出來，可以使二氧化碳在后續(xù)的尿素合成操作中與氨作用。
在1985年Linde-Berichten aus Technik und Wissenschaft(Linde科技報告)第57期40～43頁中公開了一種進一步用簡單工藝制備合成氨氣體的方法。該方法是將從蒸汽轉(zhuǎn)化器中放出的裂化氣直接通進一氧化碳轉(zhuǎn)化操作中，省略了二次轉(zhuǎn)化器的中間環(huán)節(jié)。然后通過壓力轉(zhuǎn)化吸收操作使轉(zhuǎn)化的裂化氣中產(chǎn)生純氫氣流，再使純氫氣與合成氨所需的氮氣混合。用一個空氣分離裝置提供氮氣，最后把氮氫混合氣供給合成氨反應(yīng)。如果在這過程中同時生成二氧化碳成分，那么在吸收操作之前再次對二氧化碳進行洗氣。
關(guān)于現(xiàn)有的這些工藝方法，在某些特別情況下的不足之處在于，僅僅能夠制得相對少量的二氧化碳。例如，當對氨進一步處理制備尿素時就出現(xiàn)這一現(xiàn)象。尤其是，在這種情形下，同時制備的作為合成氣體的二氧化碳的量僅僅能夠?qū)⒋蠹s85～95%的氨轉(zhuǎn)化成尿素。因此，在這種情況中，通常的做法不外乎有兩種或者是在合成氨操作之前移去過量的氫氣，也就是說降低氨的產(chǎn)量;或者是把過量的氨用于生產(chǎn)其它產(chǎn)品，例如生產(chǎn)硝酸銨或磷酸銨。
本發(fā)明的目的是通過一種本說明書開始部分所述的工藝，使用該工藝能夠比現(xiàn)有技術(shù)增加二氧化碳的產(chǎn)量。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的在有或無蒸汽存在的條件下，使至少一部分原料氣流與氧氣或富氧氣體反應(yīng)，將這步操作中的氣體混合物與剩余的原料氣和蒸汽轉(zhuǎn)化操作所需的蒸汽一起充入蒸汽轉(zhuǎn)化操作。
在本發(fā)明的方法中，附加的二氧化碳是通過至少一部分原料氣與氧氣反應(yīng)而制得的，這可以按準化學計算方式(quasi-stoichiometric manner)燃燒來實現(xiàn)。在這一過程中，生成基本由二氧化碳和水蒸汽組成的煙道氣。然而，還有用間接方法來提高二氧化碳產(chǎn)量的可能性。為了這一目的，本發(fā)明的一個實施例提供了這樣一種工藝，即使反應(yīng)在存在過量的原料氣條件下進行，發(fā)生部分氧化并產(chǎn)生富一氧化碳的煙道氣。這一過程中形成的一氧化碳在下一步通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)，就可以被轉(zhuǎn)化為二氧化碳。這種操作工藝的優(yōu)點是，在蒸汽轉(zhuǎn)化器中需要較低的欠火輸出量。
如若不采取其它措施，部分原料氣流與氧氣的燃燒會導致很高的火焰和產(chǎn)生溫度超過3000℃的煙道氣，因此，本發(fā)明提供了用加入水蒸汽或?qū)脮r蒸發(fā)的水來控制高溫的方法。在這點上，特別值得注意的是，為了控制高溫，本工藝要使用一部分對于轉(zhuǎn)化另一部分原料氣流來說，無論如何是必需的水或水蒸汽。
可以用多種方法達到限制溫度的效果。在本發(fā)明的一個實施例中，在燃燒階段通過加入水和/或水蒸汽直接降低溫度，因而火焰溫度也被降低。在本發(fā)明的另一個實施例中是在燃燒操作之前，將水蒸汽通入部分原料氣流和/或富氧的氣體中達到同樣效果。同樣，如本發(fā)明的另一個實施例，還可以緊接著燃燒階段把水和/或水蒸汽通入煙道氣內(nèi)降溫，也就是說，在高火焰溫度產(chǎn)生之后再取得降溫效果，以達到保護安裝在下面的設(shè)備組件的目的。
在燃燒操作之前或在燃燒操作中加入水和/或水蒸汽時，應(yīng)當注意保持適當高溫，以保證能夠使混合物引燃和燃燒。在天然氣的燃燒過程中，使火焰的溫度保持在1500～1800℃之間，特別是1600～1700℃之間有利于燃燒進行。
按照本發(fā)明的另外一個實施例，通過間接熱交換，使部分原料氣流燃燒時產(chǎn)生的氣體進一步冷卻。這種氣體冷卻方式通常是必需的，因為與將通過蒸汽轉(zhuǎn)化器的部分原料氣流的直接混合會導致不能允許的高溫和不希望發(fā)生的二次反應(yīng)。特別是當用含硫原料氣流、如天然氣時，就是這種情況。原料氣流在轉(zhuǎn)化反應(yīng)操作前先通過脫硫階段，在升高了溫度的狀態(tài)，例如400℃左右時被輸出。進入蒸汽轉(zhuǎn)化器時的習用溫度范圍是500～550℃，混合之前煙道氣冷卻的溫度為500～1100℃，最好是600～1000℃。為了蒸發(fā)水分，最好進行間接冷卻，這樣可得到部分蒸汽轉(zhuǎn)化操作所需要的蒸汽。關(guān)于這一點，在本發(fā)明最初的一個實施例中，在蒸汽轉(zhuǎn)化操作的工藝壓力下就能得到中壓蒸汽，所得到的中壓蒸汽可如上所述直接用于蒸汽轉(zhuǎn)化操作。在另外一個實施例中，也可以制備高壓蒸汽。蒸汽經(jīng)過過熱之后，進入與設(shè)備連接的高壓蒸汽裝置，然后進行膨脹。如同蒸汽常被用于蒸汽轉(zhuǎn)化操作，通常在使過熱蒸汽進一步做功膨脹之前，首先使其膨脹到中壓。這樣所產(chǎn)生的一部分中壓蒸汽就可再用于蒸汽轉(zhuǎn)化操作。
在本發(fā)明一個有利的實施例中，原料氣與氧化的反應(yīng)是在壓力下實現(xiàn)的，適于反應(yīng)的壓力大小在沒有外加壓力下，應(yīng)達到使產(chǎn)生的氣體混合物能夠與其它氣流混合并能夠充入蒸汽轉(zhuǎn)化器。因此，反應(yīng)在習用的轉(zhuǎn)化壓力下發(fā)生，即在壓力為10～35巴之間進行，更適合反應(yīng)的壓力范圍是15～30巴。
反應(yīng)可在普遍的燃燒爐中進行，例如在這種爐中，燃燒室內(nèi)壁有耐火鑲襯或陶瓷包層。本發(fā)明的一個特殊實施例提供了使反應(yīng)在浸沒式加熱器或浸沒式燃燒爐中進行的方法。在這種情況下，煙道氣直接通過水浴使直接熱交換產(chǎn)生蒸汽，這部分蒸汽又可以用作工藝蒸汽。本發(fā)明另一個實施例還具有這樣一個優(yōu)點，即可將一部分制得的氣體混合物循環(huán)通入燃燒爐，以限制火焰的溫度。
在本發(fā)明的另一實施例中，原料氣與氧氣的反應(yīng)是在催化作用下進行的。在這一操作方法中，一部分達到蒸汽轉(zhuǎn)化操作所要求的適量蒸汽可以與反應(yīng)氣流相混合。此方法的優(yōu)點是，絕不會出現(xiàn)非催化燃燒操作所必須的高溫。相反，生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度大大降低，例如，溫度在700～900℃，尤其是在750～800℃。
因此，正如本發(fā)明說明書的開始部分所述，本發(fā)明特別適于與合成氨工藝連用，在該方法中，合成氣體的生產(chǎn)在不同二次轉(zhuǎn)化器而使用壓力轉(zhuǎn)化吸收裝置的情況下即可完成。這種工藝使用一個空氣裂解裝置制備合成氨所需的氮氣成分。按照本發(fā)明的方法，空氣裂解裝置中產(chǎn)生的、至今僅用于與蒸汽轉(zhuǎn)化器所需的燃燒空氣相混合的氧氣，至少有一部分可以用于與原料氣反應(yīng)，省去了以往達到同樣目的所必須的花費昂貴的步驟。
以下結(jié)合本發(fā)明示意圖所表示的實施例來進一步描述本發(fā)明的特征。
圖1說明本發(fā)明方法的基本原理。
圖2表示本發(fā)明的一個具體實施例。
如圖1所示的本發(fā)明實施例，原料氣，例如天然氣用導管1提供，通過導管2進入蒸汽轉(zhuǎn)化器3。部分原料氣用導管4進行分流并通至燃燒爐5，在燃燒爐中，原料氣與導管6所提供的氧氣成分燃燒。用加進水或/和蒸汽的方法來調(diào)節(jié)在燃燒操作中或燃燒之后的溫度。具體措施是用導管7提供水或水蒸汽，或者同時提供水和水蒸汽，再用導管8將其通入燃燒爐5。轉(zhuǎn)化操作進一步需要的蒸汽通過虛線所表示的導管9或10引入從燃燒爐5通過導管11釋放出的煙道氣中，最后通入導管2隨原料氣一起進入蒸汽轉(zhuǎn)化器。通過導管11從燃燒爐5里引出的煙道氣，在與導管2提供的部分原料氣流開始混合以前，先在熱交換器12內(nèi)用間接熱交換法冷卻，因此可以制得工藝蒸汽。
從蒸汽轉(zhuǎn)化器3里排出的裂化氣經(jīng)過冷卻后(圖中未給出)，經(jīng)導管13送至一氧化碳轉(zhuǎn)化階段14，使裂化氣中所含的一氧化碳轉(zhuǎn)化成為二氧化碳和氫氣。這一轉(zhuǎn)化操作形成的氣體混合物用導管15輸?shù)蕉趸枷礆獠僮?6。經(jīng)過洗氣，二氧化碳被排放出，同時經(jīng)導管17分離。剩余的氣流用導管18通向壓力轉(zhuǎn)化吸收裝置19，在此從裂化氣中得到純氫氣。導管20把純氫氣流引出，同時導管21將殘余氣體排走。殘余氣體里含有在蒸汽轉(zhuǎn)化操作3中未發(fā)生反應(yīng)的甲烷，甲烷可用作蒸汽轉(zhuǎn)化裝置3的欠火加熱氣體。用導管20從裝置19中排出的氫氣流與導管22所提供的氮氣相混合變?yōu)楹铣砂睔怏w，接著經(jīng)過壓縮(圖中未表示出)和加熱至合成溫度后，在合成氨裝置23中開始反應(yīng)。在23中生產(chǎn)的氨作為本工藝的產(chǎn)物被導管24輸出。
部分送到燃燒操作5的原料氣流4的量可以確定為，使從導管17和導管24輸出的兩種產(chǎn)物的量之比恰好能夠在尿素合成過程中同時完全反應(yīng)。
用導管6供給燃燒操作5的氧氣和用導管22提供的合成氨用的氮氣都最好取自于空氣裂解裝置，特別是低溫裂解裝置。
如圖2所示的本發(fā)明實施例，通過導管25提供作為原料的天然氣，該氣體內(nèi)含83.3摩爾%的甲烷、10.3摩爾%的乙烷、4.2摩爾%的丙烷、丁烷0.4摩爾%、二氯化碳1.1摩爾%和氮氣0.7摩爾%。天然氣首先在30巴的壓力下通到脫硫階段26，在該處脫去天然氣中所含的硫磺不純物。經(jīng)過脫硫的天燃氣通過導管27，在410℃溫度下排出，然后分成兩路氣流，由導管28分流的氣體進行燃燒。分流的量可以依工藝所需的二氧化碳量而變動，例如，可以是全部氣流量的5～20%。在本實施例中，約占總氣流量的11%的氣體被導管28分流后，在混合站29與水蒸汽和富氧成分混合。具體做法是，導管30提供121℃和壓力為30巴的富氧氣體成分，其中含64.5摩爾%的氧氣、32.7摩爾%的氮氣和2.8摩爾%的氬氣，同時導管31提供溫度270℃和壓力為56巴的生成蒸汽，允許蒸汽在混合站膨脹到壓力為30巴。導管32把混合氣從混合站輸出送到燃燒爐33，混合氣在燃燒爐內(nèi)于214℃的溫度下燃燒。該混合氣中含有69.5摩爾%的蒸汽、15.3摩爾%的氧氣、5.6摩爾%的甲烷、0.7摩爾%的乙烷、0.3摩爾%的丙烷、7.8摩爾%的氮氣、0.7摩爾%的氬氣和0.1摩爾%的二氧化碳。從燃燒爐33排出的是在1600℃產(chǎn)生的煙道氣，其中含有83.5摩爾%的蒸汽、8.0摩爾%的二氧化碳、0.7摩爾%的氬氣和7.8摩爾%的氮氣。煙道氣通過導管34輸入熱交換器35，在此與汽化中的水進行間接熱交換形成蒸汽，導管31再把形成的蒸汽從35中冷卻輸?shù)交旌鲜?9中。煙道氣在熱交換器35中冷卻到1188℃之后，再通過導管36進入下一步的熱交換器37中，在此，熱交換器35中將被汽化的水被進一步加熱到沸騰的溫度。在熱交換器39中，煙道氣被冷卻到991℃后，導管38把煙道氣送進混合室39，煙道氣在混合室與導管40提供的、從導管27排出的部分脫硫天然氣混合，然后再與工藝蒸汽和工藝水混合。
蒸汽轉(zhuǎn)化操作(未在圖2示出)所需的全部蒸汽均由導管41以水來提供。一部分與將進行燃燒的部分氣流相混合的水流經(jīng)導管42、通過泵43使其壓力升高到56巴，然后在熱交換器37中加熱至沸騰溫度，再在熱交換器35中進行汽化。另一部分用于形成占蒸汽總量約63%的水則通過導管44直通向混合室39。這股水流再經(jīng)導管45和46分為兩路。數(shù)值較小的一路通過導管45供給混合室39，在此把水加熱到110℃，由于間接熱交換使水汽化，然后在液態(tài)狀態(tài)下進行混合。與此同時，另一路數(shù)量較大的水流通過導管46輸入熱交換器47。在此先加熱到383℃，然后使之汽化再輸入混合室39。由混合室39輸出的氣體將被送進蒸汽轉(zhuǎn)化裝置。該氣體的壓力為29.5巴，溫度為550℃。氣體內(nèi)含有74.4摩爾%的蒸汽、16.3摩爾%的甲烷、2.0摩爾%的乙烷、0.8摩爾%的丙烷、3.2摩爾%的二氧化碳、3.0摩爾%的氮氣和0.3摩爾%的氬氣。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)氨和二氧化碳的方法，用蒸汽轉(zhuǎn)化把一種富輕質(zhì)烴的原料氣轉(zhuǎn)化成裂化氣，再經(jīng)過一氧化碳轉(zhuǎn)化操作和分離把裂化氣變成氫氣、二氧化碳及殘余氣體，其中把氫氣和氮氣一起同時送至合成氨操作，其特征在于，在有或無蒸汽存在的條件下，使至少一部分原料氣流與氧氣或富氧氣體反應(yīng)，將這步操作所產(chǎn)生的氣體混合物與剩余的原料氣以及蒸汽轉(zhuǎn)化操作所需要的其余蒸汽一起充進蒸汽轉(zhuǎn)化操作。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征是反應(yīng)實際上是在蒸汽轉(zhuǎn)化操作的壓力條件下進行的。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征是，用加入水和/或水蒸汽的方法調(diào)節(jié)反應(yīng)的溫度。
4.按照權(quán)利要求
1至3其中任何一項所述的方法，其特征是反應(yīng)之前，水蒸汽與原料氣和/或氧氣或富氧氣體相混合。
5.按照權(quán)利要求
1至4其中任何一項所述的方法，其特征是，用間接熱交換法使反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體混合物冷卻。
6.按照權(quán)利要求
5所述的方法，其特征是，通過間接熱交換至少產(chǎn)生一部分蒸汽轉(zhuǎn)化操作所需要的蒸汽。
7.按照權(quán)利要求
5或6所述的方法，其特征是，在間接熱交換過程中，制得高壓蒸汽，高壓蒸汽經(jīng)過過熱和做功膨脹后，至少有一部分用于滿足蒸汽轉(zhuǎn)化操作的需要。
8.按照權(quán)利要求
1至4其中之一所述的方法，其特征是，反應(yīng)在浸沒式燃燒器中進行。
9.按照權(quán)利要求
8所述的方法，其特征是，部分在浸沒式燃燒器中生產(chǎn)的氣體混合物被再循環(huán)至該燃燒器。
10.按照權(quán)利要求
1至7其中之一所述的方法，其特征是，反應(yīng)借助催化劑進行。
11.按照權(quán)利要求
1至10其中之一所述的方法，其特征是，該反應(yīng)是以準化學計算燃燒的形式進行。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種生產(chǎn)氨和二氧化碳的方法。在該方法中，用蒸汽轉(zhuǎn)化把富輕質(zhì)烴的原料氣轉(zhuǎn)化為裂化氣。經(jīng)過一氧化碳轉(zhuǎn)化操作和分離把裂化氣變氫氣、二氧化碳和殘余氣體。把一氧化碳轉(zhuǎn)化中生產(chǎn)的氫氣與氮氣一同送至合成氨操作。在有或無蒸汽存在的條件下，使至少一部分原料氣與氧氣或富氧氣體反應(yīng)。把所生產(chǎn)氣體混合物與剩余原料氣、連同蒸汽轉(zhuǎn)化操作所需的其余一部分蒸汽一起送進蒸汽轉(zhuǎn)化操作。
文檔編號C01B31/00GK87106172SQ87106172
公開日1988年6月1日 申請日期1987年9月4日
發(fā)明者瓦爾特·施拉姆, 烏爾里奇·西爾德布蘭德, 萊茵哈德·格拉特哈爾 申請人:林德股份公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan