[其他]多级氨合成法

说明书

本发明属于化学工业领域中的合成氨工业制造技术。若进一步说是用含有惰性气的氢氮气作原料低能耗的氨合成法，亦可认为是对传说氨合成法放空气中氢氮气的合理利用于进一步合成氨。

目前作为合成氨的原料气中一般含有1%左右或更多的惰性气，在加压到50～320大气压后送入氨合成工段，在氨合成的循环回路中每通过一次合成塔，氢、氮气随着氨的生成而消耗20%左右。惰性气因积累而含量升高，现在工厂中用从系统中排放一部分循环气来保持合成循环气的惰气浓度在10～26%之间的一个稳定水平上。这样原料气的6～8%作为放空气被排放。目前多个合成回路并联或单回路的流程难于解决降低循环气中惰气浓度和减少放空气量之间的矛盾，因为减少合成循环气中的惰气含量虽可提高设备能力和减少合成工段动力消耗，但必将引起放空气中氢、氮气损失增加。而放空气量的减少虽可减少原料气的消耗但又将导致循环气中惰气浓度的提高，以致影响生产能力，增加动力消耗。近年来国内外解决这一问题的基本方法是从放空气中回收氢再用作氨合成的原料。已在工业上实施的主要方法有深冷法、变压吸附法和薄膜分离法，其中尤其以美国MonSanto公司商品名为“prism”的薄膜分离器使用较多，据使用工厂数据实际可增产氨2～4%。但是薄膜法所得回收气为低压气中带回 1/3 左右惰性气。因此再用来合成氨时必将增加合成气压缩，氨合成和分离等设备的负荷，额外增加动力消耗。这不仅影响到实际经济效益，且引起原有生产装置能力之不平衡。变压吸附法和深冷法也在不同程度上存在上述问题。因此近年来各国均很重视用第二氨合成系统将放空气中氢氮气转化为氨的研究。此法的关键问题是欲得高的氢氮气回收率就必须较大幅度提高第二合成系统的惰性气浓度，而这就要使该系统的氨合成率减少，增加这部分的动力消耗，甚至难以使氨合成正常进行。最早的一份美国专利US1938598是将主系统来的弛放气由100～200大气压加压到500～1000大气压来提高第二系统合成率的，这同样使能耗增加。最近的一篇专利为1983年6月2日公布的英国专利GB2109361，其中为主系统取出的弛放气不经压缩升压直接送到第二氨合成系统。该系统惰气浓度为50%，在这里采用铂族金属触媒如钌（Ru）代替铁触媒以提高触媒的低温活性，增加了氨合成率，但显然这将使得触媒费明显增加。

本发明的目的在于寻找能进一步降低原料气消耗同时进一步提高合成工段生产能力，降低动力消耗的途径。

本发明采用的第一个措施是用多个回路串联逐级合成，将惰性气浓集在氨合成的尾部，因为除了用惰气含量很低的原料气，在氨合成循环气中惰性气的积累通常是不可避免的，但是惰气含量却是随着原料气中氢、氮气的消耗及氨的生成而逐步提高的。现行的合成装置将全部产量的氨合成置于放空气中惰性气浓度的同一水平上，而未利用补入原料气中惰气含量低的有利条件，致使12～30%的合成工段动力和设备能力无谓的消耗于惰气的循环。在本法中，正是根据这一状况将氨的合成经过多个合成回路由大到小逐级串联进行。在这一方法中原料气全部补入第一级，使大部分氨的合成在很低的惰气含量下进行，然后将部分循环气排放至第二级作为氨合成原料。这样逐级进行惰气浓度逐步升高，除了末级要满足排放原料气中带入的惰气量而应维持较高的惰气浓度外，前面各级均可维持比现有合成回路低得多的浓度，而末级的产氨量比前几级要小得多，从而可使氨合成中用于惰气循环的功耗和设备投资大幅度降低。