[发明专利]用于合成氨的设备和方法

说明书

本发明涉及用于由含有氮气和氢气的合成气合成氨的方法和设备。

技术领域

依据Haber-Bosch方法由氮气和氢气合成氨通常于铁氧化物混合催化剂在约150至300巴压力和350至530℃的温度范围下进行。所述氨的年产量目前约为1.25亿吨，其生产约占世界能源消耗的3％。在工业反应条件下氨的出口浓度往往只有13-20％。从理论上说，在200大气压和400℃及无惰性气体的合成气的反应条件下，根据尼尔森的平衡浓度为38.82％。如果通过使用活性催化剂可以降低反应的温度，则平衡浓度和因此理论上可以实现的浓度得以提高。

EP 13 857 85描述了在颗粒催化剂上生产氨的方法，其中将氮和氢组成的未反应的合成气引经第一非冷却催化剂床并随后作为部分反应的合成气引经热交换器。然后，将所述部分反应的合成气引经至少两个其他的冷却催化剂床。在此，以未反应的合成气在输入第一非冷却催化剂床前引经设置于冷却催化剂床内的冷却管的方式，进行冷却。在此，使得未反应的合成气首先流经最后一个催化剂床的冷却管，然后流经倒数第二个。用该方法，通过在冷却催化剂床中提供与最佳温度曲线相似的温度曲线的方式，在150巴的压力下产物气体中的氨浓度可以达到29.5体积％。

在DE 603 04 257 T2中公开了用于合成氨的方法，其中使所述合成气与一种或多种催化剂相接触，其中至少一种于第二基底上涂覆有涂覆了钌的氮化物。该方法适用于大容量和高压力的设备，且降低单位能耗。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务在于，提供用于合成氨的改进的设备和改进的方法。这任务通过具有独立权利要求1的特征的设备以及通过具有独立权利要求10的特征的方法来解决。进一步的改进方案在从属权利要求中列出。

根据第一实施方案，根据本发明用于由含有氮气(N₂)和氢气(H₂)的合成气合成氨的设备包括反应器，其包含第一非冷却催化剂床单元以及至少一个热交换装置。此外其中含有两个冷却催化剂床单元。冷却面积由多个冷却管构成，其在以下也被称为“冷却单元”。冷却催化剂床单元配备了这种冷却单元。循环管线从一个或多个合成气的输入装置开始首先进入这种冷却单元并且延续到第一非冷却催化剂床，随后到热交换装置。从此处循环管线由至少两个冷却催化剂床单元延伸至一个或多个输出装置(如果设计有多个)，在其中氨(NH₃)通过冷凝从产物气体中分离出来。

来自产物气体的未反应的氮气和氢气回输至循环管线中，并且将新鲜的氮气和氢气混入合成气中。为了调节冷却催化剂床单元内的冷却单元或者多个冷却管的冷却效率，根据本发明，平行于冷却单元设置了至少一个旁路管线，其在输入装置之后从循环管线分支出来，并且在第一非冷却催化剂床单元之前再次与循环管线合并。

此外，在一个实施方案中设计为，分别提供具有冷却催化剂床单元的冷却面积的冷却单元的冷却管，分别在冷却管的输出端具有出口收集装置，其中收集了合成气并且继续引至下一个冷却单元或至第一非冷却催化剂床单元。每个这种出口收集装置可以分别与旁路管线连接。因此有利的可能是，视催化剂种类和催化剂活性而定，以可以经由旁路调节来改变冷却单元的冷却效率的方式，使之适应对于氨合成最佳的每个冷却催化剂床单元的温度分布。用于合成氨的常规设备各是只为具有特定活性的催化剂设计的：使用具有更高活性的催化剂是不可能的，因为用现有的冷却面积不能达到为此所必需的冷却效率。反之，如果催化剂的活性在使用寿命期内降低，冷却效率会太高并且催化剂床将被过于强烈地冷却。这可以通过使用旁路管线来避免，其允许冷却效率的变化，通过不将作为冷却剂起作用的合成气的一部分引经多个冷却管，而是引经旁路管线的方式。

控制装置负责来自输入装置的合成气在旁路管线和多个冷却管之间的分配，通过分配装置来调节合成气输入。在此有利的是，所述控制装置与用于获取工艺参数的传感器耦合，使得分配装置依赖于工艺参数进行调节。如果这种参数是冷却催化剂床单元的出口温度，有利的可能是，将每个冷却催化剂床单元的温度分布调整成对于氨合成最佳的温度分布。这使得催化剂能力的有效利用成为可能，由此最终可以节约能量。

在根据本发明的设备的一个有利的实施方案中，提供通过循环管线的合成气的流体路径，所述循环管线其从输入装置开始，首先经过顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元的多个冷却管，然后经过各自紧接着的逆流而上设置的催化剂床单元的多个冷却管。