一种新型氨气浓缩及分离工艺的制作方法

本发明涉及合成氨工艺技术领域，尤其是涉及合成氨工艺技术中的一种新型氨气浓缩及分离工艺。

背景技术：

合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，为一种基本无机化工流程。氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础。中国合成氨产量位居世界第一位，未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”。

如图1所示，目前合成氨生产过程中，氮和氢在高温高压和催化剂存在下生成的氨，都是采用冷却、冷冻的方式，将氨合成塔出口的气体中的氨进行液化分离。未被液化的气体，再通过循环压缩机，加压进入反应器继续反应。如此循环。

目前的合成氨工艺中，氨分离过程的缺点是：（1）冷冻系统动力消耗高；（2）氨分离后的循环气中含3%左右的氨，循环回反应器，抑制了反应朝正反应方向进来，降低了氨合成的效率并增加了循环气的量，从而导致循环压缩机功耗增加。

近年来，关于氨分离的工艺也在不断地被改进。例如中国专利公开号为cn202289790u和cn103818929a的专利等，都是侧重于设备的优化或冷、热量的优化。

采用cn103818929a专利文献0014段中所公开的数据：出氨合成塔较高温度的含10%至15%氨的合成气。根据现在国内合成氨行业的情况，一般合成压力在150至220公斤左右。假定合成氨压力为180公斤（18mpa），循环气氨含量3%，进行简单的推算：

当进行一级氨分离前的氨含量为10%时，开始液化的温度是45℃左右，当温度继续降低到7℃时。循环气中的氨含量降低到3%左右。

当进行一级氨分离前的氨含量为15%时，开始液化的温度是61℃左右，当温度继续降低到7℃时。循环气中的氨含量降低到3%左右。

当进行一级氨分离前的氨含量为20%时，开始液化的温度是73℃左右，当温度继续降低到7℃时。循环气中的氨含量降低到3%左右。

当进行一级氨分离前的氨含量为30%时，开始液化的温度是92℃左右，当温度继续降低到7℃时。循环气中的氨含量降低到3%左右。

通过上面的计算数据可以发现，进行一级氨分离前的氨含量越高，从气态氨开始液化成液氨的临界温度就越高。现在工厂一般能提供32℃左右的循环水初步冷却气体，提升氨含量，用冷却水就可以把大部分的氨给液化下来，只有少部分再通过制冷设备冷却。如此可大量减少冷冻设备的冷冻量，而冷冻设备降温需要消耗大量的电力能耗。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中冷冻系统动力消耗高以及循环气中氨气循环量高的不足，提供一种新型氨气浓缩及分离工艺，能将进入冷冻系统的气体中氨含量提高，可以显著降低冷冻工序的动力消耗，将循环气中的氨含量降低，显著提高氨合成的效率，降低循环气的循环量，从而降低循环压缩机的动力消耗。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型氨气浓缩及分离工艺，其特征是，包括以下步骤：

出口气预冷：将合成塔的出口气降温；

浓缩分离：将降温后的出口气通入浓缩分离系统进行浓缩并分离液氨；

穿透气循环：将浓缩分离后排出的穿透气经循环气压缩机压缩后回到合成塔；

其中，浓缩分离步骤有两种方案：

方案一：1）将降温后的出口气进行冷却分离分离出液氨；2）将冷却分离后的尾气通入浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出；3）往浓缩系统中通入再生气并加热将氨气解吸得到富氨再生气；4）将富氨再生气与合成塔出口气混合进行冷却分离，如此循环；

方案二：1）将降温至80摄氏度以下的出口气通入浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出；2）往浓缩系统中通入再生气并加热将氨气解吸得到富氨再生气；3）将富氨再生气与合成塔出口气混合进行冷却分离；4）将冷却分离后的尾气与出口气混合通入浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出。

上述方案中，通过设置浓缩系统将一方面氨分离后的尾气通过浓缩系统在进入循环气压缩机，减少循环气中的氨含量，使得氨合成时能够促进反应往氨合成方向进行，另一方面使得进入氨分离前的气体中的氨含量提升，同时，浓缩后的氨含量成为可控条件，可根据吸附剂的吸附能力与通入再生气量对浓缩后的氨含量进行一定范围的控制，因此减少氨分离所需的制冷量，减少功耗。

方案一采用分离后浓缩，将氨分离后的气体进行浓缩然后返回分离系统进行分离，使得间接提升氨分离效率。

方案二采用先将出口气浓缩再进行冷冻分离使得本发明的分离工艺可适用于低压合成氨工艺中，由于低压合成氨势必会造成氨合成塔的出口气氨含量降低，先浓缩后在进行分离使得冷冻分离的效率不会由于出口气的氨含量降低而导致制冷量的急剧上升，同时由于经过浓缩后进入循环气压缩机的循环气氨含量更低，使得其能够促进氨合成反应向氨合成方向进行，变向弥补了低压合成氨工艺的氨转化率。

作为优选，在氨气解吸之后还有冷吹步骤，所述冷吹步骤为：通入冷吹气对吸附剂进行降温。

作为优选，所述冷吹气为循环压缩机出口循环气以及单一组分或混合组分的合成原料气中的一种或多种。

作为优选，所述再生气为循环压缩机出口气或者冷吹过程的尾气或者单一组分或混合组分的合成原料气中的一种或多种。

作为优选，所述浓缩系统包括两台及以上的并列的吸附塔以及与所述吸附塔通过主管路连接的吸附进气管、吸附出气管、热吹进气管、热吹出气管、冷吹进气管和冷吹出气管，所述吸附进气管与主管路之间设有吸附进气阀、吸附出气管与主管路之间设有吸附出气阀、热吹进气管与主管路之间设有热吹进气阀、热吹出气管与主管路之间设有热吹出气阀、冷吹进气管与主管路之间设有冷吹进气阀、冷吹出气管与主管路之间设有冷吹出气阀。

作为优选，所述浓缩系统还包括二次进气管和中间出气管，所述二次进气管与主管路之间设有二次进气阀，所述中间出气管与主管路之间设有中间出气阀，所述吸附出气管与所述二次进气管之间通过管路连通。

作为优选，所述冷吹出气管与所述热吹进气管通过连接管路连通，所述连接管路上设有加热器。

作为优选，装填于所述吸附塔内的吸附剂为比表面积大于200m²/g的多孔物质。例如活性氧化铝，活性炭、硅胶、分子筛等

作为优选，所述解吸过程中加热采用再生气加热和吸附塔内加热中的一种或多种。

本发明的有益效果是：（1）显著降低冷冻工序的动力消耗；（2）降低循环气中的氨含量，提高氨合成的效率并且降低循环气的循环量，从而降低循环压缩机的动力消耗。

附图说明

图1是现有技术的工艺流程示意图；

图2是本发明实施例1的一种工艺流程示意图；

图3是本发明实施例2的一种工艺流程示意图；

图4是本发明实施例1的一种浓缩系统示意图。

图中g1为再生气，g2为富氨再生气，g3为氨分离后尾气，g4为穿透气。

具体实施方式

为使本发明技术方案实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚地解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，而不是全部实施例。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本方案，而不能解释为对本发明方案的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个或者多个。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体:可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

实施例1：

如图2所示，一种新型氨气浓缩及分离工艺，包括以下步骤：

出口气预冷：将合成塔的出口气降温；

浓缩分离：将降温后的出口气通入浓缩分离系统进行浓缩并分离液氨；

穿透气循环：将浓缩分离后的穿透气通入循环气压缩机压缩送回合成塔；

其中，浓缩分离步骤为：

1）将降温后的出口气通入浓缩分离系统中的分离系统进行冷却分离以分离出液氨；2）将冷却分离后的尾气通入浓缩分离系统中的浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出；3）往浓缩系统中通入再生气并加热将氨气解吸得到富氨再生气；4）将富氨再生气与合成塔出口气混合进行冷却分离，如此循环。

需要说明的是，氨合成塔后可设置废热回收系统，浓缩分离系统包括浓缩系统和分离系统两部分，其中分离系统采用冷冻分离工艺，本实施例中，分离系统包括预冷器、水冷凝器、一级氨分离器、换热器、氨冷凝器和二级氨分离器，出口气或者出口气与富氨再生气的混合气先进入预冷器冷却，然后通过水冷凝器进入一级氨分离器对出口气或者出口气与富氨再生气的混合气进行氨分离，经过一级氨分离后的气体通入换热器然后在经过氨冷凝器进入二级氨分离器对一级氨分离后的气体进行冷冻分离，将冷冻分离后的气体再通入换热器，将剩余冷量传递给一级氨分离后的气体，然后在换热器出口处得到氨分离后尾气。

接着，将氨分离后尾气通入浓缩系统，所述浓缩系统为变温吸附系统，氨分离后尾气经吸附塔内的吸附剂吸附，大部分的氨被脱除；未被吸附的穿透气从塔顶部出来，进入循环气压缩机；被吸附的氨气采用合成气（单一组分或混合组分）再生，形成富氨再生气，富氨再生气与合成塔出口气混合进行冷却分离，同时，在氨气解吸再生之后向吸附塔内通入冷吹气对吸附剂进行降温，如此循环。本实施例中的冷吹气采用混合组分的合成原料气，即氢气与氮气的混合气作为冷吹气。

上述变温吸附氨浓缩工艺的每一循环均包括吸附、热吹、冷吹过程，具体如下，

(1)在所述的吸附过程是：氨分离后尾气从吸附塔底部进入，氨气被吸附剂吸附下来，未被吸附的气体，从吸附塔顶部穿透出吸附剂床层的过程。穿透气进入循环气压缩机。

(2)在所述的热吹过程是：将再生气经过加热后，从吸附塔顶部进入吸附，从底部排出，将吸附剂床层加热，使被吸附的氨气再生出来的过程。富氨再生尾气进入分离系统。

(3)在所述的冷吹过程是：热吹过程结束后，将冷吹气气从吸附塔顶部进入吸附塔，从底部排出，将吸附剂床层的温度恢复到常温的过程。

冷吹过程的尾气能够加热作为热吹过程再生气，或直接进入冷却、冷冻氨分离系统，或冷却后直接进入循环压缩机进口，本领域技术人员可根据实际情况而定。本实施例中冷吹过程的尾气作为热吹过程中的再生气。

采用上述工艺流程的好处在于，可以将进入合成塔的循环气中的氨含量降低，由于现有技术的冷冻分离后尾气的氨含量在3%左右，本实施例中采用吸附剂吸附效率在75%左右，那么吸附系统排出的穿透气氨含量控制在0.5%左右，由于合成塔出口气的氨含量基本不变，现有工艺的水平可以达到18%左右，因此，在合成氨过程中，原料气中的氨含量降低使得合成塔中的氨转化率提升。另一方面，采用上述工艺由于循环气中氨含量降低使得循环气量总体降低，减少循环气压缩机的功耗。

采用上述工艺流程的第二个好处在于将冷冻分离后的尾气采用变温吸附的方法进行浓缩，浓缩后的氨含量成为可控条件，可根据吸附剂的吸附能力与通入再生气量对浓缩后的氨含量进行一定范围的控制，将氨浓缩后的富氨再生气的氨含量控制在40%左右，在将其与合成塔出口气（氨含量18%），本实施例中混合后的氨含量为19.3%，在35摄氏度的冷凝水的作用下，氨气液化率达39.6%，而现有工艺中18%氨含量的合成气在35摄氏度的冷凝水的作用下，氨气液化率仅31.8%，本发明的工艺提高了一级氨分离时的氨气液化率，从而使得需要二级氨分离的冷冻量减少，有效降低了冷却分离时功耗。

具体的，如图4所示，浓缩系统包括两台及以上的并列的吸附塔，在本实施例中采用四台并列设置的吸附塔，分别为吸附塔a、吸附塔b、吸附塔c和吸附塔d，各个吸附塔均通过各自的主管路（1a\1b\1c\1d）与吸附进气管2、吸附出气管3、热吹进气管4、热吹出气管5、冷吹进气管6和冷吹出气管7连接，所述吸附进气管与主管路之间设有吸附进气阀(21a\21b\21c\21d)、吸附出气管与主管路之间设有吸附出气阀(31a\31b\31c\31d)、热吹进气管与主管路之间设有热吹进气阀(41a\41b\41c\41d)、热吹出气管与主管路之间设有热吹出气阀(51a\51b\51c\51d)、冷吹进气管与主管路之间设有冷吹进气阀(61a\61b\61c\61d)、冷吹出气管与主管路之间设有冷吹出气阀(71a\71b\71c\71d)。

进一步的，所述浓缩系统还包括二次进气管9和中间出气管8，所述二次进气管与主管路之间设有二次进气阀(91a\91b\91c\91d)，所述中间出气管与主管路之间设有中间出气阀(81a\81b\81c\81d)，所述吸附出气管与所述二次进气管之间通过连接管路11连通。由于氨合成反应为连续进行的转化过程，因此设置二次进气管和中间出气管并设置相应的阀门，而且将吸附出气管与二次进气管之间通过管路连通，如此可以通过阀门的开闭实现四个吸附塔之间的串并联。将四个吸附塔两两分组，其中两个处于吸附过程时另外两个则处于再生过程，使得两组吸附塔能够循环交替使用。具体的，吸附过程中：氨分离后尾气通过吸附进气管通入，吸附塔a的吸附进气阀打开，氨分离后尾气进入吸附塔a进行吸附，吸附塔a的中间出气阀打开，然后气体通过吸附塔a的主管路进入中间出气管，然后打开吸附塔b的二次进气阀，气体通过连接管路通入二次进气管，并进入吸附塔b进行二次吸附，然后吸附塔b的吸附出气阀开启，吸附后的穿透气通过吸附出气管排出。

此时，吸附塔c和吸附塔d处于再生状态，再生过程如下：

热吹过程：再生气通入热吹进气管，吸附塔c和吸附塔d的热吹进气阀打开，再生气进入吸附塔c和吸附塔d，对吸附塔c和吸附塔d进行再生，被吸附的氨气解吸，打开热吹出气阀，解吸的氨气随再生气通过热吹出气阀排出吸附塔。

冷吹过程：在热吹结束后，冷吹气通入冷吹进气管，吸附塔c和吸附塔d的冷吹进气阀打开，冷吹气进入吸附塔c和吸附塔d，对吸附塔c和吸附塔d的吸附剂床层进行冷却，打开冷吹出气阀，冷吹气通过冷吹出气阀排出吸附塔。

本实施例中采用组合成分的原料气作为冷吹气，而将冷吹后的尾气作为热吹的再生气，因此，上述冷吹过程和热吹过程整合为：上一循环的冷吹尾气通入热吹进气管，吸附塔c和吸附塔d的热吹进气阀打开，再生气进入吸附塔c和吸附塔d，对吸附塔c和吸附塔d进行再生，被吸附的氨气解吸，打开热吹出气阀，解吸的氨气随再生气通过热吹出气阀排出吸附塔；组合成分的合成原料气作为冷吹气通入冷吹进气管，吸附塔c和吸附塔d的冷吹进气阀打开，冷吹气进入吸附塔c和吸附塔d，对吸附塔c和吸附塔d的吸附剂床层进行冷却，打开冷吹出气阀，冷吹尾气进入冷吹出气管，通过加热器10后进入热吹进气管。

上述过程中，采用吸附塔a与吸附塔b串联、吸附塔c与吸附塔d串联，再将串联后的吸附塔a与吸附塔b和串联后的吸附塔c与吸附塔d并联，由于连接管路、二次进气管和中间出气管的存在，还可以采用吸附塔两两分组，组内并联然后两组吸附塔并联的形式进行吸附，仅改变阀门开启的数量与顺序，本实施例中不在赘述。

本实施例的有益效果是，（1）显著降低冷冻工序的动力消耗；（2）降低循环气中的氨含量，提高氨合成的效率并且降低循环气的循环量，从而降低循环压缩机的动力消耗。

实施例2，本实施例的其余部分参照实施例1，其不同之处在于：

如图3所示，浓缩分离步骤为：

1）将降温至80摄氏度以下的出口气通入浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出；2）往浓缩系统中通入再生气并加热将氨气解吸得到富氨再生气；3）将富氨再生气与合成塔出口气混合进行冷却分离；4）将冷却分离后的尾气与出口气混合通入浓缩系统对其中的氨气进行吸附并将穿透气排出。

采用先将出口气浓缩再进行冷冻分离使得本发明的分离工艺可适用于低压合成氨工艺中，由于低压合成氨势必会造成氨合成塔的出口气氨含量降低，先浓缩后在进行分离使得冷冻分离的效率不会由于出口气的氨含量降低而导致制冷量的急剧上升，同时由于经过浓缩后进入循环气压缩机的循环气氨含量更低，使得其能够促进氨合成反应向氨合成方向进行，变向弥补了低压合成氨工艺的氨转化率。

以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。