用于改造制氨装置的前端的方法与流程

本发明涉及制氨装置的改造。本发明尤其涉及制氨装置的前端工段的改造，该前端工段生产用于合成氨的补充气。

背景技术：

氨(NH₃)的合成需要包含大约3:1的合适比例的氢气(H₂)和氮气(N₂)的合成气。关于具有以上组成的合成气，将使用术语氨合成气。

已知通过一段蒸汽转化和随后的流出物的二段转化，由脱硫天然气的转化生成所述氨合成气(EP 2 022 754)。

根据现有技术，烃原料在一段转化炉中被蒸汽转化，所生成的气体在二段转化炉中进一步与氧化剂流反应。离开二段转化炉的所转化的气体然后被净化，尤其以去除氧化碳，进而获得适合于氨合成的气体组成，即，具有接近3:1的H₂/N₂摩尔比(氢氮比)的气体组成。净化工段通常包括变换炉(其中CO被转化为二氧化碳和氢气)、CO₂去除单元和可能地甲烷化反应器。

二段转化炉也被叫做自热式转化炉(ATR)。所述术语“自热式转化炉”指催化转化器，在该催化转化器中进行烃源的氧化且该氧化提供了用于转化的热。没有一段转化纯粹的自热式转化也是可行的。

现有技术已知数种改造现有制氨装置以提高装置的生产能力或降低装置的能量消耗的方法。已知的方法包括在二段(自热式)转化炉中使用氧气或富含氧气的空气替代空气作为氧化剂。为了提供用于氨合成反应的所需要的约3的H₂:N₂摩尔比，这可伴随将氮气流添加至合成回路工段。可提供专门的空气分离单元(ASU)来向转化工段供应氧气和向净化工段供应氮气。一些示例为WO2012/004032和EP 2 631 213。

在前端压力下，通常在20bar至50bar的范围内的前端压力下，需要氧化剂和氮气。

然而，涉及向前端装置分开供给氧气和氮气的这种方法是非常昂贵的，这主要是由于包括大型压缩机的ASU的存在。这有损改造的经济意义。

ASU的主要组件通常包括：

空气给料压缩机；

通过去除水和CO₂来净化空气的可逆式交换器或筛式吸附器；

冷装置工段(所谓的冷箱)；

产品压缩系统。

冷箱在深冷温度下运行，其中，空气被分离成具有所需要的纯度的组分。冷箱主要包括分离柱和热交换器。

产品压缩系统可包括两个气体压缩机或气体压缩机和内部液体产品泵送的组合。如果一些产品通过深冷内部泵送输送，则也需要增压空气压缩机。

氧化剂和氮气可在分别进入二段转化炉和净化单元之前在ASU内部或在专门的压缩机中被压缩。

至于氧化剂或氮气的内部泵送，ASU的冷箱(进料-流出物交换器的出口)的输送压力为前端压力。至于氧化剂或氮气的外部压缩，所述冷箱的输送压力通常为约1bar至5bar，被称为“近环境压力”。

因此，空气分离单元通常需要至少三个大型压缩机。所述压缩机是非常昂贵的且大大地影响ASU的成本，转而影响制氨装置改造的成本。出于以上理由，包括提供空气分离单元的改造会变得不太具有吸引力。在一些情况中，含氧气流和含氮气流是可获得的且可在不提供新的空气分离单元的情况下用于改造，然而仍需要在合适的压力下获得所述气流。

从EP-A-2 662 327中也已知以天然气为原料的制氨装置的改造方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服如上讨论的现有技术的缺点。特别地，本发明的目的在于当使用含有氧气和氮气的、例如由空气分离单元产生的专用流时，降低改造具有空气点火二段转化炉或自热式转化炉的装置的成本。

通过根据权利要求1的方法达到这些目的。本发明的特征在于，氧气气流被供给至转化工段，尤其被供给至二段转化炉或自热式转化炉，以提供一部分氧化剂。优选地，在O₂摩尔含量方面，所述氧气气流的纯度为至少50％摩尔。因此，根据各实施方式，所述二段转化炉将利用富含O₂的空气或利用基本上纯的氧气来运行。因此，本发明的方法可被认为是基于氧的改造。

此外，将氮气气流引入到装置的适当位置、优选地引入到处理工段中，以便提供所需的H₂:N₂摩尔比。本发明的特征在于，所述氮气气流的至少一部分利用空气压缩机来压缩，所述空气压缩机先前是用于将空气供给至二段转化炉或ATR。所述压缩机也被称为过程空气压缩机(PAC)。

所述氧气气流和氮气气流通常通过空气分离单元产生。为此，在一些实施方式中，本发明的方法可包括安装新的空气分离单元。然而，当已经获得空气分离单元时，本发明也是适用的。

过程空气压缩机PAC可被改造，例如以容纳更大的流量。然而这不是必要的，一些实施方式给出了PAC未被改造，照原样使用。

在以改造PAC为特征的实施方式中，所述压缩机通常能够提供装置中所需的所有的(或至少大部分的)氮气。因此，在这些实施方式中，被送往转化阶段的氧气气流优选具有高的纯度。氧气气流的所述纯度优选为至少90％摩尔、更优选大于95％摩尔。另一方面，在PAC未被改造的实施方式中，可能发生PAC不能够容纳需要量的氮气。在PAC不能够容纳需要量的氮气的情况下，可以优选利用氧气气流引入一些氮气，该氧气气流将具有较低的纯度，例如50％摩尔至90％摩尔、更优选地70％摩尔至90％摩尔。换句话说，气态氮的流量被选择成匹配现有空气压缩机的能力，剩下的氮气利用氧气引入。

根据本发明的其他实施方式，离开空气分离单元的氮气流被分成两个流，即第一低压流和第二高压流。所述第一流通过PAC压缩；所述第二流绕过PAC可被直接供给至装置。所述第一流的量(流量)可被确定成匹配PAC的能力，该PAC可以被改造或可以不被改造。在该实施方式中，将根据分开的实体和空气压缩机的能力，确定氧化剂的纯度。

该方法有效地解决了高的改造成本的问题，这是因为：由于外部压缩机的存在，来自ASU的输送压力结果是较低的，通常约1bar至5bar(近环境压力)，而不是20bar至50bar(前端压力)，故该方法避开了三个空气压缩机中的一个。此外，没有对现有空气压缩机进行昂贵的修改，尽管该装置的生产力大幅增加。

即使使用改造的PAC，尽管装置的生产力增加，但也不需要昂贵的修改。例如，与在较低生产力的情况比较，对于50％的生产力增加，用于氮气的过程空气压缩机中的流量仅高了10％。

由于利用基于氧的改造方法的协同效应，现有PAC被极大地去除了瓶颈。特别地，本发明涉及下面的发现。

过程空气压缩机压缩不具有微量的氧气、水和CO₂的纯的氮气。需要在ASU内部的空气预处理工段，以便去除所有的杂质，因此避免蒸汽冷凝、液态水凝固和气态CO₂冷凝。结果是，来自ASU的氮气显现为纯的且干燥的。其他组分(例如氩气)仅以ppm级存在。

氮气的分子量(MW＝28)非常相似于空气的平均MW(约29)。因此，压缩机的特征曲线基本上没有变化，压缩机的性能(速度对压力比、速度对效率)与新的工艺条件兼容。

PAC的排放压力低于之前的排放压力(通常约5bar)，这是因为氮气可被引入到净化工段的下游，由此节省了上游设备的压降。

参照优选的实施方式，借助于下面的描述和附图，本发明的这些和其他益处将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的框图。

图2为本发明的第二实施方式的框图。

图3为本发明的第三实施方式的框图。

具体实施方式

图1示出本发明的第一实施方式。

用于生成氨合成气的前端包括一段转化炉1、二段转化炉2和处理工段3。所述处理工段3可包括变换炉和净化单元，即，CO₂去除和甲烷化。将离开所述工段3的经净化的气体进料给氨合成工段4。

二段转化炉2起初通过由压缩机6输送的空气7来点火。

本发明的方法采用由空气分离单元5供应的氧气气流8和氮气气流9。在一些实施方式中，所述单元5的安装可以是本发明的方法的一部分。

所述空气分离单元5以近环境压力(例如1bar至5bar)输送氮气气流9。通过空气压缩机6将所述气流9压缩，然后将经压缩的氮气10输送至前端的适当位置，优选输送至处理工段3。例如，在CO₂去除工段之后或在甲烷化工段之后，引入氮气。空气管线7可被中断。

由于氮气气流9被空气压缩机6压缩，故可避开ASU 5的一个内部压缩机，即，不需要ASU以更高的前端压力输出氮气气流9。

图1的装置如下运行：天然气原料NG与蒸汽气流PS混合，然后进入一段转化炉1。离开一段转化炉的经转化的气体被供给至自热式二段转化炉2，由于来自ASU 5的氧气输入8，现在自热式二段转化炉2运行作为氧气点火的转化炉。ASU 5还供应待被添加至处理工段3的氮气9，以为氨合成反应提供所需要的大约3的H₂:N₂摩尔比。压缩机6被用于压缩从空气中分离的且离开ASU 5的所有的氮气。

气流9的纯度优选地大于90％。例如，当氮气的流量为30kmol/h且其他组分(例如氩气)的流量为33kmol/h时，氧化剂的流量为1428kmol/h，所含的氧气的流量为1365kmol/h。

图2示出本发明的第二实施方式，其中，ASU 5以低压输送第一氮气气流9’，以高压输送第二气流9”。通常，所述第二气流9”以前端压力(例如，20bar至50bar)被深冷泵送。

第一气流9’利用空气压缩机6来压缩，而第二气流9”被直接供给至处理工段3，可能地，第二气流9”与所述压缩机的输送10接合。

选择气流9’和气流9”之间的比例以匹配现有空气压缩机6的能力，从而使修改最小化或避免修改。

图3示出本发明的第三实施方式，其中，ASU 5以低压输送全部氮气9，且与原始的条件相比，压缩机6不被改造。在这种情况下，气流9中的氮气的量会不足以达到所需要的3:1比例，进而可以优选使用具有较低纯度的氧气气流8’，以通过所述气流8’引入缺少的氮气。

所述气流8’的纯度可以例如为约70％至90％。例如，当氮气的流量为356kmol/h且其他组分(例如氩气)的流量为33kmol/h时，氧化剂的流量为1754kmol/h，所含的氧气的流量为1365kmol/h。

氧气和氮气的相对平衡取决于过程、特别是取决于用于净化合成气的方法(例如通过PSA、N₂扫PSA、或液氮洗、或简单的甲烷化)、以及取决于合成回路中的净化气流。PSA(变压吸附)可用于去除二氧化碳和其他杂质(例如CO、CH₄、Ar)。例如，如果净化工段包括PSA单元，则需要向该过程供给稍微过量的氧气。在该过程中，微量的氢气也被去除，因此氧气的消耗稍微增加。另一方面，如果净化工段包括用于从粗氢气流中去除像CO、Ar和CH₄的杂质的液体NW(氮洗)单元，则需要向该过程供给稍微过量的氮气。事实上，在该过程中，一定量的氮气(例如10％至15％)损失于尾气中，因此需要增加消耗。

然而，这些修改的效果基本上不会改变所揭露的方法，因为如果与用于氨工艺的总要求相比，总的氧气或氮气流的变化是小的。

同样地，根据特定的过程和装置要求，空气分离单元也可输送其他的氮气流，对于连续的或不连续的流，例如用于再生分子筛的氮气、或用于PSA单元的吹扫的氮气、或用于冷却液氮洗的液氮、或用于填充液氮贮槽的氮气。这些修改的效果同样基本上不会改变所揭露的方法。