專(zhuān)利名稱(chēng)：一種氨的合成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氨的合成工藝，尤其涉及一種充分利用合成氨反應(yīng)熱的氨的合成工藝。
背景技術(shù)：
合成氨工藝一般包括造氣、凈化、合成和分離四大環(huán)節(jié)，其中氨的合成工藝是整個(gè) 工藝過(guò)程的核心。氨的合成工藝主要由氮?dú)錃獾膲嚎s、氨合成和氨分離等幾個(gè)單元組成。即 將精制的氫氮?dú)獠糠趾铣蔀榘保⒉捎美鋮s、冷凍的方法將氨分離出來(lái)而得到液氨產(chǎn)品。由 于經(jīng)合成塔一次合成的氨的產(chǎn)率并不高，通常把氨分離后的氮?dú)錃?稱(chēng)為循環(huán)氣)與新鮮 氮?dú)錃饣旌?，然后進(jìn)行壓縮和加熱，再進(jìn)入合成塔進(jìn)行合成反應(yīng)。由于氨合成在較高溫度下 進(jìn)行，且氨的合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此氨合成后的混合氣體為高溫高壓氣體，氨分離則必 須在低溫(常在o°c以下)下進(jìn)行，因此氨的合成工藝過(guò)程總是伴隨著升溫一降溫一升 溫……，這導(dǎo)致了存儲(chǔ)于工藝氣體中的大量勢(shì)能和內(nèi)能的損失，俗稱(chēng)為“冷熱病”。在目前工業(yè)化技術(shù)的氨合成條件下，氨合成塔的出塔氣體溫度達(dá)450 550°C，理 論計(jì)算和工程實(shí)踐表明，在450°C時(shí)，每生成IKmol的氨，可以放出54. 5MJ的熱量。對(duì)于年 產(chǎn)50萬(wàn)噸的合成氨裝置，每小時(shí)有224GJ的反應(yīng)熱可以利用。如今普遍采用的是通過(guò)副產(chǎn) 蒸汽或加熱鍋爐給水回收熱量，然后由鍋爐提高品位后產(chǎn)生高壓蒸汽，通過(guò)蒸汽透平驅(qū)動(dòng) 合成氨裝置的離心式壓縮機(jī)。工藝中的熱功轉(zhuǎn)換，實(shí)際上是通過(guò)換熱給另一種工質(zhì)——7jC, 水作為載熱體完成整個(gè)循環(huán)。這種水_蒸汽-水的間接循環(huán)方式未能充分地利用合成氨反 應(yīng)熱，因此提高反應(yīng)熱的利用效率，是氨合成工藝發(fā)展的一個(gè)重要方向。專(zhuān)利號(hào)為200710139645. 3的專(zhuān)利“利用合成氨放空氣勢(shì)能發(fā)電的方法”，公開(kāi)了 一種合成氨放空氣的勢(shì)能利用方法，實(shí)施例中顯示在年產(chǎn)24萬(wàn)噸合成氨規(guī)模下，將這一 部分勢(shì)能所發(fā)的電重新投入合成氨生產(chǎn)中，則每生產(chǎn)1噸液氨可以節(jié)電33度，降低電耗 2.3%。然而在合成工序中，放空氣僅是合成循環(huán)氣中的很小一部分，更多的工藝氣體在經(jīng) 歷氨分離后重新壓縮升溫進(jìn)入合成塔，大量的反應(yīng)熱以合成循環(huán)氣的分子動(dòng)能和勢(shì)能為載 體，因此不僅可利用放空氣的勢(shì)能，而且有更多的循環(huán)氣內(nèi)能可供利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的氨的合成工藝，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種高效利用氨合 成反應(yīng)熱的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，氨的合成工藝包括氮?dú)錃獾膲嚎s、氨合成和氨分離單元過(guò) 程，其特征在于從氨合成塔(1)出來(lái)的高溫高壓氣體進(jìn)入氣輪機(jī)(2)獲取膨脹功，同時(shí)降 低溫度和壓力；從氣輪機(jī)⑵出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)熱交換器⑶冷卻，降低溫度并回收熱量；經(jīng) 冷卻后的氣體進(jìn)入氨分離單元(4)實(shí)現(xiàn)氨與氮?dú)錃獾姆蛛x；經(jīng)氨分離后的氮?dú)錃馀c新鮮氮 氫氣混合進(jìn)入壓縮單元(5)提高壓力；經(jīng)壓縮達(dá)到壓力要求的氮?dú)錃饨?jīng)過(guò)熱交換器(3)加 熱進(jìn)入氨合成塔(1)進(jìn)行氨合成，或經(jīng)壓縮達(dá)到壓力要求的氮?dú)錃庵苯舆M(jìn)入氨合成塔(1)進(jìn)行氨合成；上述從氨合成塔(1)出來(lái)的氣體壓力為15Mpa 80Mpa、溫度為400°C 650°C ； 從氣輪機(jī)出來(lái)的氣體，壓力降至1. 8Mpa lOMPa，溫度降至150°C 300°C，之后進(jìn)入熱交換 器冷卻至40°C 250°C，壓力為1.7Mpa 9. 9Mpa ；經(jīng)氨分離后的氮?dú)錃鈮毫?. 6Mpa 9. 7MPa，溫度為-5°C 60°C ；經(jīng)過(guò)壓縮單元(5)的氮?dú)錃?，壓力提高?5Mpa 80MPa，溫 度為 60°C 200°C。氨分離單元(4)采用吸收式氨分離方式。氣輪機(jī)⑵獲得的機(jī)械功，直接用于驅(qū)動(dòng)壓縮單元(5)的壓縮機(jī)(5. 1)、(5.2)，并 與動(dòng)力平衡單元(6)連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與負(fù)載的平衡。依據(jù)氣輪機(jī)(2)獲得的機(jī)械功與壓縮單元(5)的壓縮機(jī)所需要的機(jī)械功比較，動(dòng) 力平衡單元(6)為負(fù)載或動(dòng)力。本發(fā)明從氨合成塔中出來(lái)的高溫高壓氣體，直接進(jìn)入氣輪機(jī)膨脹做功，降低壓力 和溫度，獲取的機(jī)械功作為動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)用于壓縮氮?dú)錃獾膲嚎s機(jī)。由合成氨的前序工段 提供符合要求的氮?dú)錃?包括微量雜質(zhì)氣體，稱(chēng)為新鮮氣)，與氨分離后的氮?dú)錃?稱(chēng)為循 環(huán)氣)混合進(jìn)入壓縮單元進(jìn)行多級(jí)壓縮，繼而進(jìn)入熱交換器加熱到工藝要求的溫度，最后 進(jìn)入合成塔開(kāi)始合成反應(yīng)，并由于反應(yīng)熱的釋放進(jìn)一步提高氣體的溫度。由于合成反應(yīng)是 可逆的，單次反應(yīng)只能合成約12% 22%的氨，出塔的混合氣中還含有大量可循環(huán)利用的 氮?dú)夂蜌錃狻８邷馗邏籂顟B(tài)下的出塔混合氣進(jìn)入氣輪機(jī)，氣體內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng) 壓縮單元的壓縮機(jī)。壓縮單元由多級(jí)壓縮機(jī)以及級(jí)間冷卻器組成，氣輪機(jī)同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī) (5. 1)、(5. 2)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，正常情況下，氣輪機(jī)的輸出功遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)所需功耗，因此氣 輪機(jī)還可以輸出一定量的凈功，用以驅(qū)動(dòng)其它負(fù)載，如驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從氣輪機(jī)出來(lái)的混 合氣體(氮?dú)錃?、氨和其它雜質(zhì)氣體)，溫度和壓力大幅降低，繼而進(jìn)入熱交換器的熱側(cè)，被 冷側(cè)的氣體進(jìn)一步冷卻后，進(jìn)入氨分離單元。在氨分離單元中，混合氣體被進(jìn)一步冷卻，然 后采用公知的工質(zhì)吸收、吸附或冷凍冷凝的方式，把氨從混合氣體中分離出來(lái)。氨分離后的 氣體(循環(huán)氣)與新鮮氮?dú)錃饣旌?，進(jìn)入壓縮單元，便完成了一次“壓縮——合成——膨脹 做功——氨分離——壓縮”的循環(huán)。氣輪機(jī)的輸出功與壓縮單元的功耗存在不平衡，因此設(shè)置動(dòng)力平衡單元，在動(dòng)力 不足時(shí)(開(kāi)車(chē)、生產(chǎn)不穩(wěn)定等情況)輸入動(dòng)力，在動(dòng)力過(guò)剩時(shí)作為負(fù)載消耗動(dòng)力。輸入動(dòng)力 的機(jī)械如電機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，消耗動(dòng)力的機(jī)械如發(fā)電機(jī)、冰機(jī)、空壓機(jī)等。相比傳統(tǒng)氨合成工藝，本發(fā)明所公開(kāi)的氨的合成工藝有如下優(yōu)點(diǎn)。首先，本工藝提 高了氨合成反應(yīng)熱的利用率，將其通過(guò)氣輪機(jī)直接轉(zhuǎn)化為膨脹功，膨脹功直接供給壓縮單 元的壓縮功耗，自給有余，徹底改變了傳統(tǒng)氨合成工藝大量消耗外源提供壓縮功耗的狀況。 其次，本工藝中壓縮機(jī)由氣輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，工藝流程大幅縮短，相應(yīng)的工藝配管也大量減少，尤 其是合成氨反應(yīng)熱的傳遞無(wú)需再傳給中間介質(zhì)水，做功工質(zhì)即為工藝氣體。傳統(tǒng)流程中，鍋 爐給水在預(yù)熱器中吸收合成氨反應(yīng)熱后送至鍋爐，鍋爐繼續(xù)加熱產(chǎn)生蒸汽送至透平驅(qū)動(dòng)氮 氫氣壓縮機(jī)，透平出來(lái)的低壓蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝回收為鍋爐給水，吸收合成氨反應(yīng)熱后送回鍋 爐。熱力管網(wǎng)很長(zhǎng)，公用工程投資費(fèi)用高昂，且熱損失很大。再次，本工藝使氨合成高壓圈 范圍大大縮小，驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)導(dǎo)致工藝氣體的溫度和壓力都大幅下降，所以自氣輪機(jī)后，都變 成了中、低壓設(shè)備，設(shè)備投資和運(yùn)行管理費(fèi)用均大為節(jié)省。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例工藝流程示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例壓縮單元工藝流程示意圖；圖1中的標(biāo)記分別為氨合成塔1，氣輪機(jī)2，熱交換器3，氨分離單元4，壓縮單元 5，動(dòng)力平衡單元6 ；圖2中的標(biāo)記分別為低壓壓縮機(jī)5. 1，高壓壓縮機(jī)5. 2，級(jí)間冷卻器5. 3。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。一種氨的合成工藝如圖1所示，包括氨 合成塔1，氣輪機(jī)2，熱交換器3，氨分離單元4，壓縮單元5，動(dòng)力平衡單元6。由合成氨的 前序工段提供符合要求的氮?dú)錃?包括微量雜質(zhì)氣體，稱(chēng)為新鮮氣)，與氨分離后的氮?dú)錃?(稱(chēng)為循環(huán)氣)混合進(jìn)入壓縮單元5進(jìn)行多級(jí)壓縮，繼而進(jìn)入熱交換器3加熱到工藝要求的 溫度，最后進(jìn)入氨合成塔1進(jìn)一步加熱，進(jìn)行氨合成反應(yīng)，并由于反應(yīng)熱的釋放進(jìn)一步提高 了氣體的溫度。由于合成反應(yīng)是可逆的，出塔的混合氣中還含有大量可循環(huán)利用的氮?dú)夂?氫氣。高溫高壓狀態(tài)下的出塔混合氣進(jìn)入氣輪機(jī)2，氣體內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)與之 共軸的壓縮單元5的壓縮機(jī)。壓縮單元5如圖2所示，由低壓段壓縮機(jī)5. 1、高壓段壓縮機(jī) 5. 2和級(jí)間冷卻器5. 3組成，壓縮機(jī)由氣輪機(jī)2共軸驅(qū)動(dòng)。從氣輪機(jī)出來(lái)的混合氣體(氮?dú)?氣、氨和其它雜質(zhì)氣體)，溫度和壓力大幅降低，繼而進(jìn)入熱交換器3的熱側(cè)，被冷側(cè)的氣體 進(jìn)一步冷卻后，進(jìn)入氨分離單元4。在氨分離單元4中，混合氣體被進(jìn)一步冷卻，然后采用公 知的工質(zhì)吸收方式，把氨從混合氣體中分離出來(lái)。氨分離后的氮?dú)錃?循環(huán)氣)與新鮮氮 氫氣混合，進(jìn)入壓縮單元，便完成了一次“壓縮——合成——膨脹作功——氨分離——混入 新鮮氮?dú)錃狻獕嚎s”的循環(huán)。在進(jìn)入氨合成系統(tǒng)新鮮氮?dú)錃庵?，含有微量的甲烷、氬等雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)氣體 進(jìn)入氨合成系統(tǒng)并不斷累積，會(huì)占據(jù)有效空間，必須加以棄除。本實(shí)施例采用公知的排放馳 放氣的方法，把系統(tǒng)中雜質(zhì)氣體成分控制在一定限度內(nèi)。氣輪機(jī)的輸出功與壓縮單元的功耗存在不平衡，因此設(shè)置動(dòng)力平衡單元，在動(dòng)力 不足時(shí)(開(kāi)車(chē)、生產(chǎn)不穩(wěn)定等情況)輸入動(dòng)力，在動(dòng)力過(guò)剩時(shí)作為負(fù)載消耗動(dòng)力。本實(shí)施例 中，動(dòng)力機(jī)采用燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)鉃榈獨(dú)錃饣蛎簹猓回?fù)載為發(fā)電機(jī)，輸出電力。上述從氨合成塔(1)出來(lái)的氣體壓力為15Mpa 80Mpa、溫度為400°C 650°C ； 從氣輪機(jī)出來(lái)的氣體，壓力降至1. 8Mpa lOMPa，溫度降至150°C 300°C，之后進(jìn)入熱交換 器冷卻至40°C 250°C，壓力為1.7Mpa 9. 9Mpa ；經(jīng)氨分離后的氮?dú)錃鈮毫?. 6Mpa 9. 7MPa，溫度為-5°C 60°C ；經(jīng)過(guò)壓縮單元(5)的氮?dú)錃?，壓力提高?5Mpa 80MPa，溫 度為 60°C 200°C。本實(shí)施例最佳工藝參數(shù)如下壓力為18. 2Mpa、溫度為500°C的出塔混合氣體直接 驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)，由此帶動(dòng)與氣輪機(jī)共軸的高壓段壓縮機(jī)以及低壓段壓縮機(jī)。出氣輪機(jī)的氣體 壓力降至3. OMPa，溫度降至250°C，之后進(jìn)入熱交換器的熱側(cè)，被冷側(cè)的氣體進(jìn)一步冷卻至 180°C，壓力為2. 9MPa。氨分離后的循環(huán)氣和新鮮氣的壓力為2. 7MPa，溫度為40°C。氮?dú)錃?進(jìn)入低壓段壓縮機(jī)，增壓至16MPa，溫度為120°C，經(jīng)級(jí)間冷卻器冷卻至60°C，進(jìn)入高壓段壓縮機(jī)繼續(xù)增壓至18. 5MPa，溫度為80°C。繼而流入熱交換器的冷側(cè)，溫度升至140°C，進(jìn)入合 成塔進(jìn)一步升溫、進(jìn)行合成反應(yīng)。本實(shí)施例的熱功參數(shù)如下進(jìn)入合成塔總氣量為540000Nm7h(標(biāo)準(zhǔn)立方米/小 時(shí))，循環(huán)氣量為361063. 5Nm3/h，補(bǔ)充新鮮氣量為178937Nm3/h，入塔氨濃度為2%，出塔氨 濃度為22. 3%，氨產(chǎn)量為67. 9t/h。出合成塔氣體組成為H258. 3%，N219. 4%, NH322. 3%, 體積流量為450531. 76Nm7h，平均分子量為10. 39Kg/Kmol，質(zhì)量流量為58. 058Kg/s，氣輪 機(jī)效率為78%，氣輪機(jī)輸出功率為37069. 9KW。壓縮機(jī)氣量按全氣量540000Nm3/h計(jì)算，由 2. 7MPa壓縮至18. 5MPa，壓縮機(jī)效率為72%，功耗為21102. 0KW。如此，壓縮機(jī)的功耗僅占 氣輪機(jī)輸出功率的56.9%，即有43. 的凈功輸出。本實(shí)施例輸出凈功用于發(fā)電，發(fā)電功 率為 14371. 1KW。本發(fā)明的實(shí)施方式不限于本實(shí)施例，如氣輪機(jī)可以是單臺(tái)，也可以由多臺(tái)組成；壓 縮單元的壓縮機(jī)也可以為單臺(tái)或多臺(tái)；壓縮機(jī)不限于高壓段和低壓段，總壓縮比較大時(shí)可 分為更多段，并相應(yīng)地配置更多的級(jí)間冷卻器；可以由單臺(tái)氣輪機(jī)與高壓壓縮機(jī)和低壓壓 縮機(jī)共軸傳輸動(dòng)力，也可對(duì)氣輪機(jī)進(jìn)行分級(jí)，由高壓氣輪機(jī)帶動(dòng)共軸的高壓壓縮機(jī)，從高壓 氣輪機(jī)出來(lái)的氣體進(jìn)入低壓氣輪機(jī)，由低壓氣輪機(jī)帶動(dòng)共軸的低壓壓縮機(jī)。各機(jī)械之間的 動(dòng)力傳遞可以采用共軸或齒輪等方式。
權(quán)利要求
一種氨的合成工藝，包括氮?dú)錃獾膲嚎s、氨合成和氨分離單元過(guò)程，其特征在于從氨合成塔(1)出來(lái)的高溫高壓氣體進(jìn)入氣輪機(jī)(2)獲取膨脹功，同時(shí)降低溫度和壓力；從氣輪機(jī)(2)出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)熱交換器(3)冷卻，降低溫度并回收熱量；經(jīng)冷卻后的氣體進(jìn)入氨分離單元(4)實(shí)現(xiàn)氨與氮?dú)錃獾姆蛛x；經(jīng)氨分離后的氮?dú)錃馀c新鮮氮?dú)錃饣旌线M(jìn)入壓縮單元(5)提高壓力；經(jīng)壓縮達(dá)到壓力要求的氮?dú)錃饨?jīng)過(guò)熱交換器(3)加熱進(jìn)入氨合成塔(1)進(jìn)行氨合成，或經(jīng)壓縮達(dá)到壓力要求的氮?dú)錃庵苯舆M(jìn)入氨合成塔(1)進(jìn)行氨合成；上述從氨合成塔(1)出來(lái)的氣體壓力為15Mpa～80Mpa、溫度為400℃～650℃；從氣輪機(jī)出來(lái)的氣體，壓力降至1.8Mpa～10MPa，溫度降至150℃～300℃，之后進(jìn)入熱交換器冷卻至40℃～250℃，壓力為1.7Mpa～9.9Mpa；經(jīng)氨分離后的氮?dú)錃鈮毫?.6Mpa～9.7MPa，溫度為 5℃～60℃；經(jīng)過(guò)壓縮單元(5)的氮?dú)錃猓瑝毫μ岣叩?5Mpa～80MPa，溫度為60℃～200℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨的合成工藝，其特征在于氨分離單元(4)采用吸收式氨 分離方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨的合成工藝，其特征在于氣輪機(jī)(2)獲得的機(jī)械功，直接 用于驅(qū)動(dòng)壓縮單元(5)的壓縮機(jī)(5. 1)、(5. 2)，并與動(dòng)力平衡單元(6)連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與負(fù) 載的平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨的合成工藝，其特征在于依據(jù)氣輪機(jī)(2)獲得的機(jī)械功 與壓縮單元(5)的壓縮機(jī)所需要的機(jī)械功比較，動(dòng)力平衡單元(6)為負(fù)載或動(dòng)力。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氨的合成工藝，尤其涉及一種充分利用合成氨反應(yīng)熱的合成工藝。包括氮?dú)錃獾膲嚎s、氨合成反應(yīng)和氨分離等單元過(guò)程，其特征在于用氣輪機(jī)代替了傳統(tǒng)工藝中的余熱鍋爐和鍋爐給水加熱器，出合成塔的高溫高壓氣體進(jìn)入氣輪機(jī)獲得膨脹功，并驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓縮機(jī)，而且氣輪機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)大于壓縮機(jī)的功耗，即氨的合成工藝的動(dòng)力自給有余。不但徹底改變了傳統(tǒng)工藝中需向壓縮機(jī)提供大量功耗的狀況，還可向外輸出動(dòng)力或電能。另外，新的工藝流程大幅縮短，相應(yīng)的工藝配管大量減少；合成高壓圈的范圍大大縮小，減小了設(shè)備的投資費(fèi)用和運(yùn)行管理費(fèi)用。
文檔編號(hào)C01C1/04GK101948121SQ20101028632
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者別玉, 宋鵬云, 常靜華, 張旭, 朱孝欽, 毛文元, 胡明輔 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)