[发明专利]从新鲜原料烃生产粗制氨合成气的方法

说明书

本发明涉及由烃类如天然气生产氨的方法，具体地讲，它涉及生产氨合成气氢和氮的方法，由于取消了在工业实际中一般使用的火管式一段转化炉，使得减少了对燃料气体的需求。

无论在技术上还是在经济上，用于生产氨合成气的一段和二段转化的常规步骤是公知的。根据最新的观点，对于每个生产氨的装置，认为这两步是决定其“原料与燃料”需求的控制步骤，因为这两步都需要烃类燃烧产生的热量进行蒸汽与烃类的吸热反应。

工业用一段转化器是一个有许多大管的烧燃料的炉，管中装有含镍催化剂，通过此催化剂，当加入蒸汽时，大约有60％(体积)的新鲜原料烃转化为氢和氧化碳。此一段转化气中还含有未反应的蒸汽和剩余的烃类甲烷。从这个工艺的观点出发，一段转化器是一个吸热催化蒸汽转化区。

一段转化气被送入二段转化器，这个转化器一般是一个衬有耐火材料的容器，没有外部加热装置，在此容器中装有含镍催化剂。在进行二段转化时，一部分一段转化气和外供空气进行燃烧供给剩余甲烷与蒸汽进行吸热反应的热量，而空气也是最终氨合成气中氮的来源。从此工艺的观点看，二段转化器是一个放热催化蒸汽转化区，有时被称作自热转化器。

从二段转化器中出来的粗制热合成气含有氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、未反应的蒸汽、剩余的甲烷和少量惰性气体，这里的一氧化碳随后会转化为氢。在一般情况下，热合成气和锅炉的进料水进行热交换，产生蒸汽供给用于二段转化空气、合成气和氨产品回收用冷冻的压缩装置。

尽管有这方面的应用，专业人员一直希望使用反应/换热器将二段转化器出口气体的热量用于一段转化的另一种用途，并借此来最大限度地减小通常的火管转化炉的规模。理论上讲，如果能把足够数量的一段转化量移到二段转化器中，使得能够用从放热转化阶段得到的热量平衡掉吸热转化阶段所需要的热量，就可以把火管炉去掉了。进行这样的热平衡实际上要求在二段转化器中燃烧更多的烃，因此使用了过量的空气，也就需要在以后除去多余的氮以保证在最终合成气中达到预期的氢/氮比。

为此目的而提出的各种反应/换热器都是一种高温换热器，它有许多单程的管子，管子的两端固定在管板上。虽然这种高温的设计比火管炉的操作费用低，但制造费用高。可能更重要的是，由上述热平衡问题造成的最终合成气中有大量的氮过剩使得必须在氨工厂的合成工段之前或在合成工段当中有很不经济的大型氮气脱除系统。

最近，如美国专利2,579,843中所示的通用型开口插接管反应/换热器已被考虑用于一段转化，因为它比单程换热器更简单。在使用开口插接管生产氨合成气的已知设计中，上述的热平衡问题使得不能放弃通常的火管转化炉。

因此，本发明的目的是在由放热转化步骤供应全部转化热的条件下生产氨合成气并将从放热催化转化取得的热量用于吸热转化步骤。

与传统的工艺相反，按照本发明，将大部分新鲜烃类与蒸汽和氧化剂一起引入到放热催化蒸汽转化段并由此排出一段转化气，借此来生产氨合成气。剩下的小部分新鲜烃类在吸热催化蒸汽转化段与蒸汽反应，并由此排出二段转化气，与第一段转化气合并。然后，使所得的合并气体与吸热催化蒸汽转化段中的反应物进行间接热交换，在这里合并气体放出热量，然后作为粗制氨合成气被回收。

放热催化蒸汽转化段在22至70巴之间的压力下绝热操作，这个转化段一般可具体采用已知的“二段转化器”的形状，尽管在本发明的方法中这个名称是不那么合适的。最好将55～85％(体积)的新鲜烃与蒸汽和氧化剂一起引入到放热转化段，这几种物料合在一起在下文中称作第一段混合原料。最好先将第一段混合原料中的蒸汽和烃组分合在一起，并预热到450～650℃的温度。如果选用空气作为氧化剂，则第一段混合原料中的蒸汽与C₁的比值最好在1.5至3.5之间。若选用富氧空气作为氧化剂，以干燥状态计，氧化剂最好含氧25～40％(体积)，而第一段混合原料中蒸汽与C₁之比最好为2.5～3.5。可用适当规模的深冷装置、膜装置或压力回转吸收装置来提供富氧空气。到底选用空气还是选用富氧空气，主要是由制氧装置的规模与成本、公用工程成本和制氨装置与全部生产装置的公用工程系统的综合化程度等控制的经济因素决定的。无论用哪种氧化剂，在把氧化剂加入到放热催化蒸汽转化段之前，最好先预热到480～720℃。