[发明专利]用于深冷纯化生产氨的设备和方法及相关的改造方法

说明书

一种从含有氢气和氮气的补充气合成氨的方法，所述方法包括：在前端工段(2)内产生含有摩尔比低于3的氢气和氮气的合成气(8)；进行第一深冷纯化，以去除氮气并提高所述摩尔比；在高压合成回路(6)内将合成气转化为氨(13)，从所述回路中提取含有氢气和惰性气体的净化流(14)；其中，将所述净化流(14)的至少一部分进行进一步的纯化以回收包含在其中的氢气的至少一部分，获得含有回收的氢气的至少一个流(15、15a、16、18)，该回收的氢气的至少一个流被再循环到该方法中。

技术领域

本发明涉及用于生产氨的设备和方法，该生产氨包括用于合成气的深冷纯化的步骤。本发明还涉及改造具有深冷纯化的氨设备的方法。

背景技术

氨的工业生产涉及在通常为约80巴至300巴的高压合成回路中的含有摩尔比为3:1的氢气和氮气的合成气(“补充气”)的催化反应。

补充气通过烃原料(例如天然气)的转化，在合成回路上游的前端工段产生。

例如在US 3 442 613中描述的用于生产氨的已知技术包括两段转化，即一段转化和二段转化，二段转化是用过量空气以及随后的深冷纯化合成气来进行的。所述深冷纯化在-160℃左右的温度下进行，其目的是冷凝和去除合成气中含有的过量的氮气和惰性物质(主要是甲烷和氩气)。氮气和惰性物质通常被收集在废物流中，并且所述废物流例如作为用于一段转化反应器的燃烧器的燃料再循环，以利用其甲烷含量。

该技术基本上基于用过量空气进行二段转化和通过深冷纯化去除所得到的过量的氮气(相对于所需的氢相关比)的原理。此外，过量的氮气有助于去除惰性物质。

通常，深冷纯化之前是：将一氧化碳转化为CO₂、去除CO₂、任选地甲烷化、去除水和氨(例如通过分子筛)。

所述技术具有许多得到确认的优点并用于世界各地的许多氨设备；然而，它仍然有许多缺点并因此有改进的余地。

现有技术中的深冷纯化方法是基于自冷的原理，即通过气体自身的膨胀来提供深冷纯化器的冷却。更详细地，通常通过供给到纯化单元的气体的膨胀和通过上述废物流的膨胀来获得自冷。这产生了由于进料气体的压力损失而引起的缺点。所述压力损失增加了用于提高在合成回路中纯化的气体的压力的压缩机的消耗水平。

现有技术的另一个限制是用于控制深冷纯化过程的唯一操作变量由前述的进料气体的膨胀来表示。所述膨胀的程度基本上由进料气体的过量的氮气，即由待去除的氮气的量决定。惰性物质的去除相应地发生，但不直接被控制。因此，现有技术在去除惰性物质方面并不完全有效。特别是氩气的分离是有问题的，因为氩气的低浓度及其接近于氮气的冷凝温度的冷凝温度。在与上述设备相关的现有技术中，氩气分离很少达到大于50％至60％的值。

另一个缺点是由于损失包含在废物流中的一定量的残留氢气而产生的。

如上所述，存在相当数量的上述类型的氨设备，其具有使用过量空气和深冷纯化的二段转化，因此人们对于改造所述设备的方法有很大的兴趣，特别是为了增加在生产氨的量方面的容量。

迄今为止，用于改造这些设备的现有技术已经提出增加进入二段转化的空气流。事实上，这些设备的主要特征在于具有过量空气的二段转化，因此增加容量的尝试倾向于精确地增加进入二段转化的空气流。然而，这些方法需要对空气压缩机进行昂贵的修改以增加其流量。通常所述空气压缩机由燃气涡轮机驱动，并且在一些情况下还需要修改所述涡轮机，导致进一步的成本。或者，可以与现有压缩机并行安装第二空气压缩机，但是该解决方案也是昂贵的并且不是非常有吸引力，因为它需要新的机器和用于其安装的相关空间。