[发明专利]改进的低苛刻度的烃的蒸汽转化方法

说明书

本发明是关于生产氨的方法，更确切地说是关于改进的低苛刻度的烃的蒸汽转化方法。

一般来说，氨的制备包括从氮源，通常为空气，和氢源，一般可为煤、石油馏分或天然气，制备氨合成气。例如，从天然气到石脑油范围内的轻质烃原料制备氨合成气时，首先除去气体污染物将烃原料气加以净化，例如通过硫化合物催化加氢生成硫化氢并在氧化锌吸附介质上被吸附而从原料中除去硫（原料气中的硫会使下游催化剂中毒）。随后将无污染气体进行蒸汽转化将提供从气态烃进行氨合成时所需的大部分氢。转化是通过两段工艺完成的，其中，蒸汽和净化的原料气的混合物首先在一段转化器中的催化剂上被转化，继而在二段转化器中处理部分转化的气体，将空气引入二段转化器以提供氨合成所需的氮气量。在二段转化器中生成了转化气，它具有更大量的氢和较少量的烃。原料气转化反应过程是从烃分解成甲烷、二氧化碳和一氧化碳开始的：

H₂O+CnH_（2n+2）→CH₄+CO+CO₂+H₂

并以这些产物的转化而结束，即通过所期望的吸热的甲烷转化反应：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

以及通过伴随的放热反应：

2CH₄+7/2O₂→CO₂+CO+4H₂O

CO+H₂O→CO₂+H₂

2H₂+O₂→2H₂O

CO+1/2O₂→CO₂

将转化气中的一氧化碳在一个或多个变换炉中转变为二氧化碳和另外的氢，用洗涤法脱除二氧化碳，可使粗合成气通过甲烷化进一步处理以除去富氢气体中的二氧化碳和一氧化碳，然后生成氨合成气，合成气中大约含有三份氢和一份氮，即氨中氢和氮的化学计量比为3∶1，另外还有少量的稳定性气体。例如，甲烷、氩和氦。让这种气体在金属铁（通常为磁铁矿）载体上的催化剂表面上通过进而使氨合成气转化成氨，并可使用其它金属氧化物作助催化剂。再将氨按下列放热反应合成：

N₂+3H₂→2NH₃

氨反应器的排放气含有氨，未转化的H和N以及在氨反应中基本上稳定的气体（特别是甲烷和氩气），将排放气进行氨回收处理以形成含有H₂和N₂的循环流，该循环流可与新鲜氨合成气一起返回氨反应器。

在通常的蒸汽转化氨工艺中，需要最大限度地减少离开转化器的未转化烃（甲烷排出量（methaneslippage））的量。因为H₂和N₂反应并作为氨产物被收回，氨反应器进料中甲烷将浓缩，而稳定性气体的主要部分如甲烷随H₂和N₂循环并保留在反应器与循环回路中。如果稳定性气体积累而未经检查，反应物（氢和氮）分压将减小而使反应速率减慢，这从经济角度考虑是不需要的。为了防止这种过量的积累，常常要清除稳定性气体，并送到燃料中去。遗憾的是，有用的氢（和氮）在清除过程中也损失了，清除的气体中一般仅含10～20%的稳定性气体。在较高的转化炉燃料消耗和投资下最大限度地降低转化器甲烷排出量可将这种损失减至最小。平衡这些因素可得到通常的设计，即在一段转化器排放气中含7～12%（克分子、干基）的烷基。

近年来已开发了各种流程来回收清除的稳定性气流中的大部分氢气。这些清除回收单元是建立在深冷分离、变压吸附或膜扩散基础上的。这些技术的共同点是生产两种气流：循环返回氨反应器的富氢气和到燃料中去的富稳定性气体。可选择的最大限度地减少清除过程中的氢气损失的方法是凯洛格（kellogg）清除变换器流程，它用第二级氨合成反应器来回收作为氨产品的部分清除气中的氢和氮。无论用哪种方法，由于最大限度地减少了变成燃料的有用氢，增加了原料到产品的转化，从而使清除气中氢气的回收单元节省了能量。在高能量消耗的情况下，清除回收单元的投资常用该基准来衡量，而对于装置转化部分的操作条件则没有明显的变化。