本申请要求2013年8月7日提交的序列号为61/863,281的美国临时专利申请的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。所公开的实施方案一般地涉及用于制备氨的方法和系统。更具体地，这些实施方案涉及用于将含有氢和氮的合成气转化为氨的方法和系统。
背景技术：
通常通过在氨合成转化器的反应区中在催化剂的存在下使氢和氮反应来制备氨。合成气体或“合成气”通常是氢和氮的来源。通常通过在高温下在蒸汽和/或氧化剂的存在下重整含碳材料产生合成气。合成气的任何未反应的组分可以被回收并再循环到氨转化器，其经常被称为“氨合成回路”。补充合成气被连续地加入到氨合成回路中以提供新鲜的氢和氮。
未反应的氢和氮的再循环降低了合成气到氨合成回路的流速，从而妨碍了最大容量的氨制备。因此，存在对用于制备氨的改进的方法和系统的需要。
附图简述
图1描绘了根据所述一个或多个实施方案的用于制备氨的示例性系统的示意图。
图2描绘了根据所述一个或多个实施方案的用于产生合成气的示例性系统的示意图。
图3描绘了根据所述一个或多个实施方案的用于产生合成气的另一示例性系统的示意图。
详述
提供了用于制备氨的方法和系统。在一个或多个实施方案中，该方法可包括压缩第一合成气和第二合成气以产生第一压缩合成气和第二压缩合成气。可以加热第一压缩合成气以产生在约60℃至约350℃的温度下的加热的第一合成气。可以将加热的第一合成气和第二压缩合成气合并以产生在约60℃至约200℃的温度下的合并合成气。可以使合并合成气在第一氨转化器中反应以产生流出物。可以使流出物在第二氨转化器中反应以产生氨产物。可以将来自氨产物的热传递到第一传热介质，以产生在约150℃至约375℃温度下的第一冷却产物和第二传热介质。可以将热从第一冷却产物传递到第三传热介质以产生第二冷却产物。可以将热从第二冷却产物传递到合并合成气以产生第三冷却产物。可以分离第三冷却产物以产生纯化的氨产物和循环气体。
图1描绘了根据一个或多个实施方案的用于制备氨的示例性系统100的示意图。系统100可包括第一压缩机单元110，其被配置成压缩和/或干燥管线104中的第一合成气以产生经由管线112的第一压缩合成气。管线112中的第一压缩合成气可通过与氨产物和/或第二氨转化器140中的流出物的间接热交换被加热，以产生经由管线118的加热的第一合成气。管线106中的第二合成气可在第二压缩机单元120中被压缩和/或干燥，以产生经由管线122的第二压缩合成气。可以将管线118中的加热的第一合成气和管线122中的第二压缩合成气混合或以其它方式合并，以提供经由管线126的合并合成气。管线126中的合并合成气可以在热交换器135中被加热，以产生经由管线138的加热的合成气。管线138中的加热的合成气可以被引入到第一氨转化器130以产生经由管线132的流出物。经由管线132的流出物可以被引入到第二氨转化器140以产生经由管线142的氨产物。管线142中的氨产物可以在一个或多个热交换器(示出了三个)150、155、135中被冷却，以产生经由管线158的冷却的氨产物。经由管线158的冷却的氨产物被引入到分离器175，以产生经由管线176的纯化的氨产物和经由管线178的循环气体。
在一个或多个实施方案中，经由管线102的合成气可以被分开(divide)、分配(apportion)、分流(split)或以其它方式分成经由管线104的第一合成气和经由管线106的第二合成气。管线102中的合成气的氢浓度可以是约60摩尔％、约65摩尔％、约70摩尔％或约75摩尔％至约77摩尔％、约80摩尔％、约85摩尔％或约90摩尔％。管线102中的合成气的氮浓度可以是约10摩尔％、约15摩尔％、约20摩尔％或约24摩尔％至约26摩尔％、约28摩尔％、约30摩尔％或约35摩尔％。管线102中的合成气的氨浓度可以是0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.1摩尔％、约0.3摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线102中的合成气的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.1摩尔％、约0.3摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线102中的合成气的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.1摩尔％、约0.3摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线102中的合成气的甲烷浓度可以为约0.1摩尔％、约0.5摩尔％、约0.6摩尔％或约0.9摩尔％至约1.2摩尔％、约1.4摩尔％、约1.8摩尔％或约2摩尔％。管线102中的合成气的氩浓度可以为约0.1摩尔％、约0.3摩尔％、约0.4摩尔％或约0.8摩尔％至约1.2摩尔％、约1.4摩尔％、约1.8摩尔％或约2摩尔％。除非另有说明，本文中以“摩尔％”表示的所有浓度应认为是基于干基例如“摩尔％干基”。
管线104中的第一合成气可以包括管线102中的合成气总量的约10体积％至约70体积％。管线106中的第二合成气可以包括管线102中的合成气总量的约90体积％至约30体积％。例如，管线104中的第一合成气可以包括管线102中的合成气总量的约20体积％至约60体积％，并且管线106中的第二合成气可以包括管线102中的合成气总量的约80体积％至约40体积％。在一个或多个实施方案中，管线104中的第一合成气和管线106中的第二合成气可以彼此不同、来自不同的来源等。
当被引入至第一压缩机单元110时，管线104中的第一合成气可以处于约0℃、约4℃、约6℃或约10℃至约15℃、约25℃、约35℃或约45℃的温度。当被引入至第一压缩机单元110时，管线104中的第一合成气可以处于约1500kpa、约2000kpa、约2500kpa或约2600kpa至约2700kpa、约3500kpa、约4500kpa或约5500kpa的压力。
第一压缩机单元110可包括一个或多个压缩区。例如，第一压缩机单元110可包括单级压缩机、两级压缩机或三级压缩机。第一压缩机单元110可以是或包括并联和/或串联布置的任何数量的压缩机。第一压缩机单元110可以具有一个或多个壳体或压力壳。例如，第一压缩机单元110可以包括单壳压缩机、双壳压缩机和/或三壳压缩机。第一压缩机单元110可由电动机、气动机(gaspoweredmotor)、一个或多个涡轮机或其任何组合驱动。
在一个或多个实施例中，第一压缩机单元110可包括一个或多个干燥器。例如，管线104中的第一合成气中包含的任何水(气体、液体或其混合物)的至少部分可以被所述一个或多个干燥器除去。可以使用任何合适的系统、装置或系统和/或装置的组合除去水。例如，合成气中的任何水的至少部分可以通过吸附或吸收过程被除去。管线112中的第一压缩合成气的水浓度可以为0摩尔％至约1摩尔％。
经由管线118的加热的第一合成气可以处于约60℃、约75℃、约90℃或约115℃至约120℃、约175℃、约250℃或约350℃的温度。由第二氨转化器140产生的经由管线118的加热的第一合成气可以处于约9,000kpa、约12,000kpa、约14,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。在一个或多个实施方案中，经由管线118的加热的第一合成气的至少部分可以被引入到第二压缩机单元120以产生第二压缩合成气122。
第二压缩机单元120可以包括一个或多个压缩机和一个或多个干燥器，其可以与上面讨论和描述的第一压缩机单元110相同或相似。管线122中的第二压缩合成气可以处于约50℃、约75℃、约85℃、或约100℃至约125℃、约150℃、约175℃或约200℃的温度。管线122中的第二压缩合成气可以处于约9,000kpa、约12,000kpa、约14,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。管线122中的第二压缩合成气的水浓度可为0摩尔％至约1摩尔％。
管线118中的加热的第一合成气和管线122中的第二压缩合成气可以在足以提供经由管线126的合并合成气的管(pipe)、管线(line)或其它管道中合并。管线118中的第一压缩合成气和管线122中的第二压缩合成气可以以任何期望的比例彼此合并，以产生经由管线126的合并合成气。管线118中的加热的第一合成气在管线126中的合并合成气中的量可以用于控制、确定或以其他方式调节管线126中的合并合成气的温度和/或压力。例如，管线126中的合并合成气可以由指定百分比的第一压缩合成气和指定百分比的第二压缩合成气组成。来自管线118的第一压缩合成气可以占管线126中的合并合成气的约15％、约20％、约30％、约40％或约50％至约60％、约70％、约80％、约90％、约95％或约100％。来自管线122的第二压缩合成气可以占管线126中的合并合成气的约30％、约35％、约40％、约45％或约50％至约60％、约70％、约80％、约90％、约95％或约100％。管线126中的合并合成气的第一压缩合成气118与第二压缩合成气122之比(经由管线118：经由管线122)可以为约1:1、约1:2或约1:4至约2:1、约1:5或约1:6。
合并合成气126可以处于约60℃、约75℃、约85℃或约95℃至约125℃、约150℃、约175℃或约200℃的温度。合并合成气126可以处于约9,000kpa、约12,000kpa、约14,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。
在一个或多个实施方案中，经由管线126的合并合成气可以在热交换器135中被加热，以产生经由管线138的加热的合成气。管线138中的加热的合成气可以处于约85℃、约125℃、约170℃或约180℃至约200℃、约250℃、约300℃或约350℃的温度。管线138中的加热的合成气可以处于约9,000kpa、约12,000kpa、约14,000kpa或约14,500kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpaa的压力。经由管线138的加热的合成气可以被引入至第一氨转化器130，以产生经由管线132的流出物。管线138中的加热的合成气中的至少部分氮和氢可以在第一氨转化器130中、在第一催化剂存在下反应、结合(combine)或以其它方式化学键合，以产生经由管线132的流出物。管线132中的流出物中可存在未反应的氢和氮。第一氨转化器130可以是使用一种或多种贵金属催化剂或一种或多种基于钌的催化剂，如可购自kbr,inc.的钌基kaap催化剂的常规单通道或多通道转化器。使用一种或多种较高活性的贵金属催化剂可允许在氨合成回路中使用较低的压力，从而允许使用一个或多个单筒氨压缩机。
管线132中的流出物的氢浓度可以为约45摩尔％、约50摩尔％、约56摩尔％或约59摩尔％至约64摩尔％、约68摩尔％、约72摩尔％或约75摩尔％。管线132中的流出物的氮浓度可以为约10摩尔％、约15摩尔％、约18摩尔％或约19摩尔％至约20摩尔％、约21摩尔％、约25摩尔％或约30摩尔％。管线132中的流出物的氨浓度可以为约10摩尔％、约15摩尔％、约17摩尔％或约19摩尔％至约20摩尔％、约21摩尔％、约23摩尔％或约25摩尔％。管线132中的流出物的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线132中的流出物的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线132中的流出物的甲烷浓度可以为0摩尔％、约3摩尔％、约5摩尔％或约6摩尔％至约8摩尔％、约10摩尔％、约12摩尔％或约15摩尔％。管线132中的流出物的氩浓度可以具有0摩尔％、约1摩尔％、约2摩尔％或约3摩尔％至约4摩尔％、约5摩尔％、约7摩尔％或约10摩尔％。管线132中的流出物可以处于约10℃、约13℃、约15℃、或约17℃至约19℃、约22℃、约24℃或约28℃的温度。
第一氨转化器130还可包括被配置为在升高的压力和/或温度下操作以将至少部分含氮和氢的原料例如管线126中的合并合成气转化为氨的任何反应器。第一氨转化器130可以包括一个或多个如第7,081,230号美国专利中所讨论和描述的“分流(split-flow)氨转化器”。第一氨转化器130可以包括一个或多个如第6,171,570号美国专利中所讨论和描述的“等温氨转化器”。第一氨转化器130可以包括一个或多个如第6,132,687号美国专利中所讨论和描述的“适于高活性催化剂的水平氨转化器”。第一氨转化器130可以包括一个或多个如第7,867,460号美国专利中所讨论和描述的氨转化器。
经由管线132的流出物可以被引入到第二氨转化器140以产生经由管线142的氨产物。第二氨转化器140可以是或包括一个或多个使用一种或多种磁铁矿催化剂的常规单通道或多通道转化器。在一个或多个实施方案中，第二氨转化器140可以与上面讨论和描述的第一氨转化器130相同、相似或不同。在一个或多个实施方案中，合并合成气中的氮和氢的至少部分可以在第二氨转化器140的反应区149中、在第二催化剂的存在下反应、结合或以其它方式化学键合，以产生氨产物142。反应区149内的第二催化剂可以包括但不限于磁铁矿催化剂、钌催化剂、方铁矿(wüstite)催化剂或其任何混合物。
在一个或多个实施方案中，在第二氨转化器140的操作期间，可包括氮和氢的流出物132可以被引入到第二氨转化器140的内壳144内的反应区149中。反应区149可以包括一种或多种催化剂。流出物132中包含的氢和氮之间的反应可以产生经由管线142的氨产物，该氨产物相对于管线132中的流出物可以具有增加的氨含量。第二氨转化器140可以增加被引入到系统100的、反应以产生氨的氢和氮的量，这可以显著减少需要在系统100内再循环的未反应的氢和氮的量。具有较少的再循环的氢和氮，系统100可以处理与没有第二氨转化器单元140的系统相比更大量的合成气。
在一个或多个实施方案中，第二氨转化器140可以包括设置在外壳146内部的内壳144。反应区149可以形成在内壳144中。空间143可以形成在内壳144和外壳146之间。管线112中的第一压缩合成气可以在空间143中被加热，以产生经由管线118的加热的第一合成气。例如，管线112中的第一压缩合成气可以通过与反应区149中产生的流出物和/或氨产物的间接热交换在第二氨转化器140的外部空间或区域，例如空间143中被加热。在一个或多个实施方案中，空间143可以具有任何形式或形状，包括环形。管线112中的第一压缩合成气可以与内壳144和外壳146及在它们之间形成的空间143流体连通。
可以将经由管线132的流出物引入至反应区149，以将流出物132中存在的氢的至少部分和氮的至少部分转化为氨。氢和氮之间的反应可以是放热反应。放热反应和/或经由管线132的流出物可以向第二氨转化器140提供热，至少部分热可以被传递到流过空间143的第一压缩合成气。第一压缩合成气112可以流过空间143以冷却内壳144和外壳146。因此，第一压缩合成气112可以移除由放热反应产生的热，以产生经由管线118的加热的第一压缩合成气。外壳146可以被冷却，使得外壳温度可以保持在比内壳温度更低的温度。第二氨转化器140可以包括一个或多个如第7,867,465号美国专利中所讨论和描述的“冷壁水平氨转化器”。
反应区149内的温度可以为约300℃、约357℃、约400℃或约425℃至约435℃、约465℃、约485℃或约530℃。如上所述，可通过引入温度为约50℃、约70℃、约80℃或约90℃至约100℃、约130℃、约160℃或约200℃并且流速为通过第二氨转化器140的流出物132的质量流速的约10％至约90％或约20％至约80％的第一压缩合成气112来保持反应区149和外壳146的平均温度。
管线142中的氨产物的氢浓度可以为约45摩尔％、约48摩尔％、约50摩尔％或约52摩尔％至约54摩尔％、约56摩尔％、约60摩尔％、或约65摩尔％。管线142中的氨产物的氮浓度可以为约10摩尔％、约14摩尔％、约17摩尔％或约18摩尔％至约20摩尔％、约23摩尔％、约26摩尔％或约30摩尔％。管线142中的氨产物的氨浓度可以为约10摩尔％、约14摩尔％、约17摩尔％或约19摩尔％至约20摩尔％、约23摩尔％、约26摩尔％或约30摩尔％。管线142中的氨产物的氨浓度可以为约75摩尔％、约85摩尔％、约90摩尔％或约95摩尔％至约97摩尔％、约98摩尔％、约99摩尔％或约100摩尔％。管线142中的氨产物的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线142中的氨产物的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线142中的氨产物的甲烷浓度可以为0摩尔％、约2摩尔％、约4摩尔％或约5摩尔％至约6摩尔％、约9摩尔％、约12摩尔％或约15摩尔％。管线142中的氨产物的氩浓度可以为约1摩尔％、约2摩尔％、约3摩尔％或约4摩尔％至约5摩尔％、约6摩尔％、约8摩尔％或约10摩尔％。管线142中的氨产物可以处于约200℃、约250℃、约300℃或约350℃至约400℃、约430℃、约450℃、或约500℃的温度。管线142中的氨产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约12,000kpa或约13,000kpa至约14,000kpa、约16,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。
经由管线142的氨产物可以被引入到第一热交换器150以产生经由管线152的第一冷却产物。例如，热可以从管线142中的氨产物被传递到经由管线151的第一传热介质，以产生经由管线153的第二传热介质和经由管线152的第一冷却产物。第一热交换器150可以是或包括一个或多个壳管式热交换器、一个或多个同心流式热交换器、一个或多个板框式热交换器或任何其他热交换装置。第一热交换器可以是或包括具有蒸汽鼓和/或立式锅炉集成鼓的堆叠式锅炉。
管线151中的第一传热介质可以是工艺用水、锅炉给水、过热低压蒸汽、过热中压蒸汽、在约50℃至约350℃的温度下的过热高压蒸汽、饱和低压蒸汽、饱和中压蒸汽、饱和高压蒸汽等。管线151中的第一传热介质可以具有约50℃、约100℃、约150℃、或约200℃至约240℃、约260℃、约300℃或约350℃的温度和约50kpa、约500kpa、约1,000kpa或约5,000kpa至约10,000kpa、约12,000kpa、约15,000kpa或约20,000kpa的压力。管线153中的第二传热介质可以具有约100℃、约200℃、约300℃或约375℃至约425℃、约450℃、约500℃或约600℃的温度和50kpa、约500kpa、约1,000kpa或约5,000kpa至约10,000kpa、约12,000kpa、约15,000kpa或约20,000kpa的压力。管线152中的第一冷却产物可以处于150℃、约175℃、约250℃、或约300℃至约325℃、约335℃、约355℃或约375℃的温度。管线152中的第一冷却产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约13,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。
经由管线152的第一冷却产物可以被引入至第二热交换器155，以产生经由管线156的第四冷却产物。例如，热可以从经由管线152的第一冷却产物被传递到经由管线157的第三传热介质，以产生经由管线159的第四传热介质。第二热交换器155可与上述讨论和描述的第一热交换器150相同、相似或不同。第二热交换器可以是锅炉给水预热器或废热锅炉。管线157中的第三传热介质可以具有约50℃、约75℃、约100℃或约125℃至约135℃、约165℃、约200℃或约250℃的温度和约50kpa、约1,000kpa、约5,000kpa或约10,000kpa至约12,500kpa、约14,000kpa、约17,000kpa或约20,000kpa的压力。管线159中的第四传热介质可以具有150℃、约200℃、约250℃、或约300℃至约315℃、约325℃、约355℃或约375℃的温度和约50kpa、约1,000kpa、约5,000kpa或约10,000kpa至约12,500kpa、约14,000kpa、约17,000kpa或约20,000kpa的压力。管线156中的第二冷却产物可以处于约100℃、约135℃、约165℃或约175℃至约185℃、约225℃、约250℃或约300℃的温度。管线156中的第二冷却产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约13,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。在一个或多个实施方案中，系统中不存在第二热交换器155。
经由管线156的第二冷却产物可以被引入到第三热交换器135，以产生经由管线158的第三冷却产物。第三热交换器135可以与上述讨论和描述的第一热交换器150相同、相似或不同。在一个或多个实施方案中，第三热交换器135可以将来自管线156中的第二冷却产物的热传递到管线126中的合并合成气，以产生经由管线158的第三冷却产物和经由管线138的加热的合并合成气。管线138中的加热的合并合成气可以处于约100℃、约135℃、约165℃或约175℃至约185℃、约225℃、约250℃或约300℃的温度。管线138中的加热的合并合成气可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约14,000kpa或约15,000kpa至约16,000kpa、约17,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。然后可以将管线138中的加热的合并合成气引入到第一氨转化器130，以产生经由管线132的流出物。管线158中的第三冷却产物可以处于约60℃、约85℃、约95℃或约105℃至约125℃、约150℃、约175℃或约200℃的温度。管线158中的第三冷却产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约13,000kpa或约14,000kpa至约15,000kpa、约16,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。如果系统100不包括第二热交换器155，则可以将经由管线152的第一冷却产物引入到第三热交换器135。
如图1所示，系统100还可包括一个或多个第一冷却器160、一个或多个第二冷却器165和一个或多个吹扫气体回收单元180。冷却器160、165和吹扫气体回收单元180是可选部件，并且将在下面进一步讨论和描述。因此，第三冷却产物158可以被引入到分离器175，以提供经由管线176的纯化的氨产物和经由管线178的循环气体。管线176中的纯化的氨产物的氨浓度可以为约95摩尔％、约98摩尔％、约99摩尔％或约99.9摩尔％至约99.92摩尔％、约99.95摩尔％、约99.999摩尔％或约100摩尔％。管线176中的纯化的氨产物的氢浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线176中的纯化的氨产物的氮浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％、或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线176中的纯化的氨产物的氩浓度可以为0摩尔％、约0.0001摩尔％、约0.0005摩尔％或约0.001摩尔％至约0.005摩尔％、约0.01摩尔％、约0.05摩尔％或约0.10摩尔％。管线176中的纯化的氨产物可处于约-35℃、约-15℃、约0℃或约15℃至约30℃、约35℃、约40℃或约50℃的温度。管线176中的纯化的氨产物可处于约100kpa、约500kpa、约1,000kpa或约2,000kpa至约2,200kpa、约2,600kpa、约3,000kpa或约3,500kpa的压力。
管线178中的循环气体可以包括由氨产物分离的未反应气体。例如，管线178中的循环气体可以包括但不限于氢、氮、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氩或其任何组合。管线178中的循环气体的氢浓度可以为约55摩尔％、约58摩尔％、约62摩尔％或约65摩尔％至约67摩尔％、约69摩尔％、约72摩尔％或约75摩尔％。管线178中的循环气体的氮浓度可以为约10摩尔％、约13摩尔％、约16摩尔％或约19摩尔％至约21摩尔％、约22摩尔％、约25摩尔％或约30摩尔％。管线178中的循环气体的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线178中的循环气体的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线178中的循环气体的甲烷浓度可以为0摩尔％、约3摩尔％、约5摩尔％或约7摩尔％至约8摩尔％、约10摩尔％、约12摩尔％或约15摩尔％。管线178中的循环气体的氩浓度可以为约1摩尔％、约2摩尔％、约3摩尔％或约4摩尔％至约5摩尔％、约6摩尔％、约8摩尔％或约10摩尔％。
分离器175可以包括能够分离包含在经由管线176的氨产物中的至少部分任何杂质的任何系统、装置或系统和/或装置的组合。例如，分离器175可以是或包括一个或多个蒸馏塔或分馏塔。分离器175可以是或包括容器。容器可以是空的、部分填充或者完全填充有一种或多种材料，以改善来自氨产物的杂质的传质和/或分离。例如，填充材料可以包括但不限于结构化材料、无规填充材料、塔板(trays)或其任何组合。两种或更多种类型的填充材料可以设置在分离器175内。例如，分离器175可以包括随机倾倒的填料(randomdumpedpacking)和一种或多种塔板。
如本文所使用的，术语“塔板”可以包括但不限于可以改善分离器175内的气相和/或液相之间的接触的一种或多种类型的塔板。示例性塔板可以包括但不限于多孔塔板、筛板、泡罩塔板、浮阀塔板、固定阀塔盘、槽式塔板(tunneltray)、整节塔板(cartridgetray)、双流塔板(dualflowtray)、挡板塔盘、淋降板(showerdecktray)、圆形和环形塔板(discanddonuttray)、轨道塔板(orbittray)、马蹄塔板、整节塔板、卡扣式阀塔板(snap-invalvetray)、烟囱塔板(chimneytray)、狭缝塔盘或其任何组合。如本文所使用的，术语“填充材料”可以包括但不限于设置在分离器175内的一种或多种类型的结构化和/或随机成形的材料。填充材料可以增加分离器175内的有效表面积，这可以改善分离器175内的液相和/或气相之间的传质。填充材料可由任何合适的材料，例如金属、非金属、聚合物、陶瓷、玻璃或其任何组合制成。无规填充材料的示例性实例可以包括但不限于拉西环(raschigring)、莱辛环(lessingring)、i环、鞍环(saddlering)、英塔洛克斯鞍形填料(
如上所述，系统100还可以包括一个或多个第一冷却器160、一个或多个第二冷却器165和一个或多个吹扫气体回收单元180。因此，可以将经由管线158的第三冷却产物引入到第一冷却器160，以产生经由管线162的第四冷却产物。第一冷却器160可以与上述讨论和描述的第一热交换器150相同、相似或不同。第一冷却器160可以是使用冷却介质的壳管式热交换器，冷却介质可以包括冷却水(coolingwater)、冷冻水(chilledwater)、氨或任何其它冷却介质。在一个或多个实施方案中，第一冷却器160可以是制冷单元。在一个或多个实施方案中，第一冷却器可以是用于氨冷凝的冷却和/或热调节的冷却器(cooler)或深冷器(chiller)。补充制冷剂和第三冷却产物158可循环地冷凝并闪过(flashthrough)第一冷却器160内的多个阶段(未示出)，并且可以以本领域已知的方式产生经由管线162的第四冷却产物。管线162中的第四冷却产物可以处于约0℃、约5℃、约10℃或约14℃至约20℃、约28℃、约35℃或约45℃的温度。管线162中的第四冷却产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约13,000kpa或约13,500kpa至约14,000kpa、约15,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。
经由管线162的第四冷却产物可以被引入到第二冷却器165以产生经由管线166的第五冷却产物。第二冷却器165可以与上述讨论和描述的第一冷却器160相同、相似或不同。管线166中的第五冷却产物可以处于约-30℃、约-25℃、约-20℃或约-15℃至约-5℃、约0℃、约15℃或约30℃的温度。管线166中的第五冷却产物可以处于约9,000kpa、约11,000kpa、约13,000kpa或约13,500kpa至约14,000kpa、约15,000kpa、约18,000kpa或约20,000kpa的压力。
经由管线166的第五冷却产物可以被引入到分离器175以产生经由管线176的纯化的氨产物和经由管线178的循环气体。在一个或多个实施方案中，热可以在第二冷却器165内从管线162中的第四冷却产物被传递至管线178中的循环气体，以产生经由管线166的第五冷却产物和经由管线168的加热的循环气体。管线168中的加热的循环气体可以处于约10℃至约70℃或约20℃至约50℃的温度。
在一个或多个实施方案中，经由管线178和/或168的循环气体的至少部分可以再循环到系统100中的一个或多个管线。例如，管线178和/或168中的循环气体的至少部分可以再循环到第一氨转化器130和/或第二氨转化器140。在另一个实施例中，经由管线178和/或170的循环气体的至少部分可以被引入至第二压缩机单元120并补充管线122中的至少部分第二压缩合成气。尽管未示出，管线178和/或168中的循环气体的至少部分可以再循环到管线102、104和106中的合成气中的至少一个、第一压缩机单元110、管线126中的合并合成气，或其任意组合。在一个或多个实施方案中，经由管线171的吹扫气体的至少部分可以被引入到吹扫气体回收单元180。在一个或多个实施方案中，经由管线172的循环气体可以再循环到一个或多个合成气重整器(未显示)。
在一个或多个实施方案中，吹扫气体回收单元180可以可选地包括氩分离单元(未示出)，氩分离单元可以减少管线171中的吹扫气体中的氩的量。例如，吹扫气体回收单元180可以包括可以产生贫氩循环气体和富氩气体的氩分离单元。吹扫气体回收单元180可以包括氨回收单元(未示出)，氨回收单元用来回收吹扫气体171中存在的任何氨的至少部分，以产生贫氨吹扫气体。可以处理贫氨吹扫气体以回收其中存在的任何氢的至少部分。可以通过使用多种可用方案中的任何一种或多种实现氢回收，可用方案包括但不限于低温分离、膜分离等。低温分离可以具有用以从吹扫气体回收氩和/或氮的另外设备。从吹扫气体回收单元180回收的氢和氮被送回系统100。吹扫气体回收单元180的特征通常在于百分比氢回收和氮回收。氢回收的范围通常为80％至98％，氮回收范围为5％至70％。
图2描绘了根据一个或多个实施方案的用于产生经由管线212的合成气的示例性系统200的示意图。系统200可以包括一个或多个重整单元210，其被配置为重整经由管线202的烃以产生经由管线212的合成气。重整单元210可以包括一个或多个一级重整器、一个或多个二级重整器、一个或多个重整交换器或其任意组合。经由管线212的合成气可以被引入至一个或多个气体变换转化器(gasshiftconverter)220，以将合成气中的任何一氧化碳的至少部分转化为二氧化碳，以产生经由管线222的变换合成气(shiftedsyngas)。
在一个或多个实施方案中，经由管线222的变换合成气的至少部分可以被引入到一个或多个净化单元230以产生经由管线232的第一纯化合成气。净化单元230可以包括一个或多个二氧化碳去除单元、一个或多个甲烷化器、一个或多个干燥器或其任何组合。管线232中的第一纯化合成气的氢-氮摩尔比可以为约1.8:1、约2:1、约2.3:1或约2.5:1至约2.7:1、约3:1或约3.1：1。管线232中的第一纯化合成气的氢浓度可以为约60摩尔％、约65摩尔％、约68摩尔％或约70摩尔％至约73摩尔％、约76摩尔％、约80摩尔％或约85摩尔％。管线232中的第一纯化合成气的氮浓度可以为约10摩尔％、约18摩尔％、约25摩尔％或约27摩尔％至约29摩尔％、约31摩尔％、约35摩尔％或约40摩尔％。管线232中的第一纯化合成气的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.0001摩尔％、约0.0005摩尔％或约0.001摩尔％至约0.005摩尔％、约0.01摩尔％、约0.05摩尔％或约0.1摩尔％。管线232中的第一纯化合成气的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.0001摩尔％、约0.0005摩尔％或约0.001摩尔％至约0.005摩尔％、约0.01摩尔％、约0.05摩尔％或约0.1摩尔％。
在至少一个实施方案中，经由管线224的变换合成气的第二部分可以被引入到一个或多个变压吸附(“psa”)单元240，以产生经由管线242的第二纯化合成气。psa单元240可以除去存在于第二合成气中的任何水、二氧化碳、一氧化碳、氩、氮、甲烷或其任何组合的至少部分，以产生经由管线242的纯化的第二合成气。管线242中的纯化的第二合成气相对于管线214、224中的第二合成气可具有增加的氢浓度。psa单元240可利用一种或多种气体分离技术，气体分离技术包括但不限于变压吸收、变压吸附或其组合。合适的吸收剂可包括苛性钠、碳酸钾或其它无机碱和/或链烷醇胺。
在一个或多个实施方案中，管线212中的合成气的至少部分可以经由管线214被引入至变压吸附单元240，以产生经由管线242的第二纯化合成气。管线242中的第二纯化合成气的氢-氮摩尔比可以为约15:1至约4:1或约12:1至约5:1。管线242中的第二纯化合成气的氢浓度可以为约75摩尔％、约85摩尔％、约89摩尔％或约91摩尔％至约94摩尔％、约98摩尔％、约99摩尔％或约99.5摩尔％。管线242中的第二纯化合成气的氮浓度可以为约0.1摩尔％、约2摩尔％、约8摩尔％或约10摩尔％至约12摩尔％、约15摩尔％、约20摩尔％或约25摩尔％。管线242中的第二纯化合成气的一氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。管线242中的第二纯化合成气的二氧化碳浓度可以为0摩尔％、约0.001摩尔％、约0.005摩尔％或约0.01摩尔％至约0.05摩尔％、约0.1摩尔％、约0.5摩尔％或约1摩尔％。
管线242中的第二纯化合成气可以与管线232中的第一纯化合成气合并，以产生氢-氮摩尔比为约3.5:1至约2.5:1或约3.2:1至约2.8:1的合成气。单独的经由管线232的第一纯化合成气或者与管线242中的第二纯化合成气混合或以其它方式合并的经由管线232的第一纯化合成气可以经由管线102被引入至氨合成单元250。氨合成单元250可以是或包括上面参照图1讨论和描述的系统100。
在一个或多个实施方案中，氨合成单元可以产生如上文参照图1讨论和描述的循环气体178。在被引入到变压吸附单元240之前，经由管线365的循环气体可以再循环到管线224中的第二部分合成气。在一个或多个实施方案中，经由管线258的循环气体可以被引入到重整单元310以产生管线212中的合成气。
图3是根据一个或多个实施方案的用于产生经由管线312的合成气的另一示例性系统300的示意图。系统300可以包括一个或多个重整单元210、一个或多个气体变换转化器220、一个或多个净化单元230和一个或多个氨合成单元250，其可以如上文参照图2所讨论和描述的。系统300还可以包括一个或多个空气分离单元310和一个或多个氮洗单元340。空气分离单元310可以提供经由管线311的富氧气体和经由管线313的富氮气体。经由管线311的富氧气体可以被引入到重整单元210，例如二级重整器，用作氧化剂。管线313中的富氮气体可以被引入到一个或多个氮洗单元340以进一步纯化管线332中的第一纯化合成气。经由管线313的氮可以被引入到管线332中的第一纯化合成气，以提供氢-氮摩尔比为约3:1，例如约2.9:1至约3.1:1的管线102中的合成气。
氮洗单元340可以在约-195℃、约190℃、约-185℃或约-170℃至约-125℃、约0℃、约30℃、或约65℃的温度下操作。氮洗单元340可以在约2,000kpa、约2,400kpa、约2,600kpa或约2,750kpa至约3,000kpa、约3,500kpa、约4,500kpa或约5,500kpa的压力下操作。氮洗单元340可以被配置为接收经由管线313的来自空气分离单元310、第二空气分离单元(未示出)、系统外部氮源300或其任何组合的富氮流。富氮流313可以包括具有增加的氮含量的空气或液体、纯氮、富氮流或其任何混合物。可以从位于系统300内或来自系统300外部的任何合适的源提供、产生或以其它方式获得氮。
预示例
为了提供对前述讨论的更好理解，提供了以下非限制性的模拟实施例。尽管实施例可以涉及具体实施方案，但是它们不被视为在任何具体方面来限制本发明。除非另有说明，所有部分、比例和百分比均以重量计。将以下实施例与本领域已知的且在下文被称为“基础方案”的用于制备氨的方法相比较。
表1显示了基础方案的模拟工艺结果，其中合成气的单一物流在第一压缩机中被压缩，并被引入到第一和第二氨转化器以产生氨产物。氨产物在第一、第二和第三热交换器中被冷却。然后氨产物在第一和第二冷却器中被冷却，以产生冷却的氨产物，其被引入到分离器以产生纯化的氨产物。实施例1和2是基础方案的修改。在实施例1和2中，将合成气分成两股物流，并且将第一物流引入至第一压缩机和将第二物流引入至第二压缩机。然后在第二氨转化器中间接加热第一压缩物流。然后将加热的第一物流与第二压缩物流混合以产生合并合成气。然后将合并合成气引入至第一和第二氨转化器，如上面关于基础方案所讨论的。
表1
如表1中所示，基础方案处理6,282m3/hr的总进料流量，并产生氨浓度为16.4摩尔％的氨产物(在142处)。然而，实施例1处理的总进料流量为基础方案处理的总进料流量的153％，并且以基础方案流速的113％的流速产生氨浓度为21.4摩尔％的氨产物(在142处)。实施例2处理的总进料流量为基础方案处理的总进料流量的143％，并且以基础方案流速的103％的流速产生氨浓度为21.4摩尔％的氨产物(在142处)。实施例1和2比基础方案保持通过第一和第二氨转化器、第一、第二和第三热交换器和第一冷却器的更高的压力。在基础方案中，离开第二冷却器的第五冷却产物具有13,600kpa的压力和-23℃的温度。然而，实施例1和2的第五冷却产物具有13,050kpa的压力和-27℃的温度，这可以更有利于下游分离以产生纯化的氨产物。
本公开内容的实施方案还涉及以下段落中的任何一个或多个：
1.一种用于制备氨的方法，所述方法包括：压缩第一合成气和第二合成气以产生第一压缩合成气和第二压缩合成气；加热所述第一压缩合成气以产生在约60℃至约350℃的温度下的加热的第一合成气；将加热的第一合成气和所述第二压缩合成气合并以产生在约60℃至约200℃的温度下的合并合成气；使所述合并合成气在第一氨转化器中反应以产生流出物；使所述流出物在第二氨转化器中反应以产生氨产物；将热从所述氨产物传递到第一传热介质，以产生在约150℃至约375℃的温度下的第一冷却产物和第二传热介质；将热从所述第一冷却产物传递到第三传热介质以产生第二冷却产物；将热从所述第二冷却产物传递到所述合并合成气以产生第三冷却产物；和分离所述第三冷却产物以产生纯化的氨产物和循环气体。
2.根据段落1所述的方法，其中所述第一压缩合成气处于约9,000kpa至约20,000kpa的压力下，并且其中所述第二压缩合成气处于约9,000kpa至约20,000kpa的压力下。
3.根据段落1或2所述的方法，其中所述第二压缩合成气在所述第二氨转化器中通过间接热交换被加热。
4.根据段落1至3中任一段所述的方法，其中所述流出物的氨浓度为约10摩尔％至约28摩尔％。
5.根据段落1至4中任一段所述的方法，其中所述流出物具有约45摩尔％至约65摩尔％的氢浓度和约10摩尔％至约30摩尔％的氮浓度。
6.根据段落1至5中任一段的方法，其中所述氨产物具有约10摩尔％至约30摩尔％的氨浓度，最高达约0.5摩尔％的氢浓度和最高达约0.3摩尔％的氮浓度。
7.根据段落1至6中任一段所述的方法，其中所述第二传热介质处于约100℃至约600℃的温度和约50kpa至约20,000kpa的压力下。
8.根据段落1至7中任一段所述的方法，还包括将热从所述氨产物传递到所述循环气体以产生加热的循环气体和冷却的氨产物。
9.根据段落1至8中任一段所述的方法，其中将所述循环气体的至少部分与所述第二合成气压缩以产生所述第二压缩合成气。
10.根据段落1至9中任一段所述的方法，其中所述第一压缩合成气的水浓度为最高达约1摩尔％，且所述第二压缩合成气的水浓度为最高达约1摩尔％。
11.根据段落1至10中任一段所述的方法，还包括重整烃以产生所述合成气，其中在重整烃之前，将所述循环气体的至少部分与所述烃合并。
12.根据段落1至11中任一段所述的方法，还包括在变压吸附单元中分离粗合成气和至少部分所述循环气体以产生所述合成气。
13.一种用于制备氨的方法，所述方法包括：压缩第一合成气和第二合成气以产生第一压缩合成气和第二压缩合成气；加热所述第一压缩合成气以产生在约60℃至约250℃的温度下的加热的第一合成气；将加热的第一合成气和所述第二压缩合成气合并以产生在约60℃至约200℃的温度下的合并合成气；使所述合并合成气在第一氨转化器中反应以产生氨浓度为约10摩尔％至约20摩尔％的流出物；使所述流出物在第二氨转化器中反应以产生氨浓度为约15摩尔％至约30摩尔％的氨产物；将热从所述氨产物传递到第一传热介质，以产生在约150℃至约375℃的温度下的第一冷却产物和第二传热介质；将热从所述第一冷却产物传递到第三传热介质以产生第二冷却产物；将热从所述第二冷却产物传递到所述合并合成气以产生第三冷却产物；和分离所述第三冷却产物以产生纯化的氨产物和循环气体。
14.根据段落13所述的方法，还包括：冷却所述第三冷却产物以产生在约0℃至约45℃的温度下的第四冷却产物；冷却所述第四冷却产物以产生在约-30℃至约30℃的温度下的第五冷却产物；和分离所述第五冷却产物以产生纯化的氨产物和所述循环气体。
15.根据段落13或14所述的方法，其中将热从第四冷却产物传递到所述循环气体，以产生在约-30℃至约30℃的温度下的第五冷却产物和在约10℃至约70℃的温度下的加热的循环气体。
16.一种用于制备氨的系统，所述系统包括：第一压缩机单元，所述第一压缩机单元被配置成压缩第一合成气以产生第一压缩合成气；第二压缩机单元，所述第二压缩机单元被配置成压缩第二合成气以产生第二压缩合成气；管道，所述管道被配置为将加热的第一合成气和所述第二压缩合成气合并以提供在约60℃至约200℃的温度下的合并合成气；第一氨转化器，所述第一氨转化器被配置成使所述合并合成气反应以产生流出物；反应区，所述反应区被包含在被配置成使所述流出物反应以产生氨产物的第二氨转化器中，其中来自所述反应区的热通过间接热交换被传递至所述第一压缩合成气，以产生在约60℃至约350℃的温度下的加热的第一合成气；第一热交换器，所述第一热交换器被配置为将热从所述氨产物传递到第一传热介质以产生在约150℃至约375℃的温度下的第一冷却产物和第二传热介质；第二热交换器，所述第二热交换器被配置为将热从所述第一冷却产物传递到第三传热介质，以产生在约75℃至约300℃的温度下的第四传热介质和第二冷却产物；第三热交换器，所述第三热交换器被配置为将热从所述第二冷却产物传递到所述合并合成气以产生第三冷却产物；和分离器，所述分离器被配置为分离所述第三冷却产物以产生纯化的氨产物和循环气体。
17.根据段落16所述的方法，还包括：第一冷却器，所述第一冷却器被配置为冷却所述第三冷却产物以产生第四冷却产物；和第二冷却器，所述第二冷却器被配置成冷却所述第四冷却产物以产生第五冷却产物，其中所述第二冷却器与所述分离器流体连通。
18.根据段落16或17所述的方法，其中所述第一冷却器是壳管式热交换器。
19.根据段落16至18中任一段所述的方法，其中所述第二氨转化器是冷壁转化器。
20.根据段落16至19中任一段所述的方法，其中所述第一压缩机单元被配置成除去存在于所述第一合成气中的至少部分水，以产生所述第一压缩合成气。
已经使用一组数值上限和一组数值下限描述某些实施方案和特征。应当理解的是，除非另有说明，将包括任意两个值的组合，例如任意下限值和任意上限值的组合、任意两个下限值的组合和/或任意两个上限值的组合的范围考虑在内。某些下限、上限和范围出现在下面的一项或多项权利要求中。所有数值是“约”或“大约”所显示的值，并且考虑到本领域普通技术人员将预期的试验误差和变化。
上文已经定义了各种术语。在权利要求中使用的术语未在上文定义的情况下，应当给予该术语如在至少一种印刷出版物或公布专利中所反映的相关领域的人员已给予该术语的最广泛定义。此外，本申请中引用的所有专利、测试方法和其它文件以这样的公开内容与本申请一致的程度完全引入作为参考，并且就所有司法管辖而言，这样的引入是允许的。
尽管前述内容涉及本发明的实施方案，但在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计本发明的其他和另外的实施方案，并且本发明的范围由随后的权利要求确定。