[其他]氨的合成工艺过程

说明书

此项发明系关于在一合成环路中由氢和氮催化合成氨的过程。在此环路中新入合成气体与循环气体混合形成混合合成气体，在一转化系统中部分地反应生成氨。

大多数的氨的商业生产是根据采用1960～70年代引进的大型的单程工厂生产的模式进行的。其中采用了初级吸热气流重整，次级放热气流重整，一氧化碳向氢和二氧化碳的转化，二氧化碳的除去和残余碳氧化物的转化等连续的工艺步骤以产生新的合成气体，其组成接近于三摩尔氢、一摩尔氮的氢-氮化学计量摩尔数比（下文有时称为H/N比），外带少量的不含需要的惰性气体包括残余的甲烷和氩。在这种单程的生产模式中，新的合成气体被离心压缩到典型的合成压力在100到220Kg/cm²之间，并在合成环路中与从氨的转化系统排出并且被离心压缩的循环气体混合。压缩机和其它机器由高压汽轮机和等效的电动机驱动，其能量供应主要是从原料重整和氨的合成的各工艺步骤中回收余热得来的。转化系统是一典型的单程、高压、高温反应器，具有几层占主导地位的铁催化剂和为排出合成时放出的热量而设的热交换器或液冷气体装置。在合成环路外典型地先通过与水进行热交换。再用机械致冷使氨冷凝。

这类工厂的基本模式变化很少，但通过在不同的工艺步骤中改进效率，例如二氧化碳的除去，以及各工序广泛应用的热回收和改进设备的设计，显著地改善了能量应用状况。遗悍的是，所得到的大部分在节能方面的改进，都受到了由于种种原因导致的设备成本的提高的限制，例如氨转化器变复杂了，重整炉装上了更广泛的热回收设施，热交换器的面积增大了。

由于氨生产厂的能量供应和重整部分的能量回收必须与厂中的压缩机转动能量损耗相平衡，较大程度的基本改进受到了阻碍。这样如果必须输入能量以满足合成环路的压缩需求，则对应于以高压气流及其等价的电气装置的形式的废热回收的减少，从而可能得到的初级重整炉的尺寸，成本和燃料耗用的减少（通过下面所述的技术），就没有什么价值了。因此要求在合成环路中能量有所节省，使之与重整阶段中潜在的经济效果相平衡，从而实现在工厂资金成本和生产单位数量的氨所需能耗上有一个总体的减少。

面对着经常是竞争性的技术和经济考虑，这种节省是很难获得的。例如高压对氨的形成有利，却对压缩机的功率提出了要求;从平衡的观点较低温度对氨的形成有利，从动力学观点则是较高温度有利，在合成气体中氨的浓度低对于氨的合成有利，但浓度低则要求更严格的氨回收设施和更高的循环气流;较小的初级重整炉可与较多的次级重整结合使用，产生出在化学配比上含氮过量的合成气体，但如果过量氮不除去，则未参加反应的氮含量的增加，其不良效应会在合成环路中传播开来。前面所述的是一些例子，还没有穷尽制氨工厂技计人员所发现的技术上和经济上的复杂性。

通过在次级重整器中用过量的空气和更多的燃料将一部分重整工作从初级重整器转移到次级重整器中，这是众所周知的，然而这种转移导致了在新鲜的合成气体中氮含量在化学计量的要求上过剩。因此在工艺流程的某处必须含有大容量的氮气排除单元。遗悍的是这种单元的成本基本上抵消了在重整过程中的经济效益。然而我们发现过量的氮、新的合成气体可与更多过量氮的循环气体相混合，以形成混合的合成气体，当在高活性催化剂的作用下，它可使转化系统输入出的氨浓度接近传统水平。我们主要是通过通常采用的从合成环路中取出的小量净化气流中除去过量氮并限制向转化系统的循环气体的流速来实现这一点。

根据此项发明，氨是在合成环路中通过用高度活性的催化剂使化学计量上含氢少的混合合成气体催化转换而产生出来，这种气体包含新的合成气体和富氢的循环气体，其中新的合成气体的氢-氮摩尔数比大于富氢的循环气体的氢-氮摩尔数比，且富氢的循环气体的流速是新鲜合成气体的流速（均按体流速）的2.2到3.7倍之间。

合成环路广义上包括一具有一个和多个反应器和一合成反应热排除装置的氨转化系统，一个液氨回收系统，一个含有氢回收单元的净化气流系统和一个为使气体在环路内循环并引入新的合成气体到环路中的压缩系统。

混合的合成气体其H/N比在0.8到1.8之间，引入了高活性的合成催化剂，最好是架在含有石墨的碳上的铂族金属。其所在的转化系统温度在315℃到400℃之间，压力在50到150Kg/cm²之间，混合的合成气体在其中部分地进行反应，使转化气体中的氨浓度在8%到18%（体积）之间，最好是在10%到15%（体积）之间。