一种低压氨合成生产液氨工艺的制作方法

本发明涉及液氨生产，具体指一种低压氨合成生产液氨工艺。

背景技术：

1、液氨是重要的化肥原料和载氢介质，氨合成工艺在化肥和氢储领域应用广泛。目前，生产液氨的原料氢气来源多样，有化石原料直接转化的、有水电解制得的，也有炼厂副产的。不论何种来源，氢气的压力均较低，如化石原料煤气化，通常制得的氢气压力在5.5mpag以下(水煤浆气化有少数8.7mpag的运行业绩)，而水电解制得的氢气和炼厂副产(如丙烷脱氢、石脑油重整)的氢气压力更低。

2、根据氨合成的反应特点，现有氨合成生产液氨工艺均采用了加压和冷却分离的方法，其中氨合成压力通常在10mpag以上，采用铁系催化剂，目前主流的低压氨合成生产工艺压力在13～14mpag，采用固定床反应器，氨合成净值可达18％vol以上，反应器出口的高温合成气经过余热回收再冷却分离液氨，分离液氨后的合成气循环返回氨合成塔。如图1所示，为现有技术中比较有代表性的氨合成工艺流程，主要包括合成反应、余热回收、制冷以及开工加热系统，氨合成新鲜气加压后(一般13～14mpag)与制冷分离的循环合成气混合，氨含量一般小于3％(vol)，并经循环气压缩机加压后送至合成塔进行氨合成反应，出合成塔经过反应的合成气氨含量一般在20％(vol)以上，温度超过400℃，随后进入余热回收系统，副产中压蒸汽；余热回收后合成气进一步经热气气换热器、水冷器、冷气气换热器、氨冷器后，进入氨分离器进行液氨分离；氨冷器冷量温位一般为-12～4℃，由冰机提供；流程一般设置有开工加热炉(器)，在原始开车或催化剂升温时投用。

3、现有的氨合成工艺均配置有氨合成气压缩机、冰机和循环气压缩机，通常氨合成气压缩机和循环气压缩机整合为一台多缸多段的压缩机，冰机通常采用氨冰机，单缸两段压缩。虽然流程上比较简单，但高压操作条件对于设备要求苛刻，压缩机设备费用高，常规的30万吨/年氨合成装置，压缩机设备费用基本在6000万左右，设备投资高；且由于压缩机的设备费用高，压缩机均采用单系列配置方案，压缩机一旦出现故障将导致装置停车，整体的运行可靠性取决于压缩机的稳定性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种通过吸收氨加精馏的方式对氨进行分离和提纯从而减少加压缩机、取消冰机设置进而降低设备投资及能耗的低压氨合成生产液氨工艺。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

3、一种低压氨合成生产液氨工艺，所述低压氨合成生产液氨工艺采用的反应装置包括氨合成反应系统、余热回收系统、氨回收系统、精馏提纯系统、循环气加压系统；所述低压氨合成生产液氨工艺包括以下步骤：

4、(1)来自上游的氨合成新鲜气，与循环合成气一同进入氨合成反应器r-001进行氨合成反应，反应生成的含氨合成气从氨合成塔顶部送出进入催化剂过滤器s-001，以去除合成气夹带的细小催化剂颗粒，催化剂颗粒通过重力返回至氨合成反应器r-001，出催化剂过滤器s-001的净化后的含氨合成气进入余热回收系统；

5、(2)来自氨合成反应系统的高温合成气进入蒸汽发生器e-001副产蒸汽，随后进入锅炉水预热器e-002回收余热，之后进入循环气换热器e-003，与循环气压缩机k-001出口合成气进行换热，换热后的合成气进入水洗系统；氨合成反应器k-001的合成气经过换热温度升高后送入氨合成反应器；

6、(3)来自余热回收系统的合成气进入水冷器e-004进一步冷却后送入洗氨塔c-001，合成气中的气相氨溶解于液相中，洗氨塔c-001顶部的合成气经洗氨塔顶冷却器e-011冷却并经洗氨塔顶分离器v-003分离液相后送至循环气加压系统；洗氨塔c-001底部的洗氨溶剂通过洗氨塔循环泵p-001，一部分经循环富氨液冷却器e-009冷却后循环回洗氨塔c-001顶，作为洗氨溶剂，另一部分减压后送至氨精馏提纯系统；

7、(4)自氨回收系统来的含氨溶剂减压后送入闪蒸罐v-002，闪蒸出少量溶解在富氨液中的氢气和氮气，闪蒸后的液相经精馏塔进料换热器e-010提温后进入氨精馏塔c-002，在塔顶高浓度氨气经精馏塔顶冷却器e-006冷却后进入氨精馏塔顶回流罐v-001，回流罐顶不凝气外排，液相一部分经氨精馏塔顶回流泵p-003返回精馏塔c-002，另一部分经氨冷却器e-009冷却后作为产品外送；

8、(5)自氨洗塔c-002顶来的夹带微量氨溶剂的合成气进入循环气净化分子筛r-002脱除微量溶剂，控制进入氨合成反应器的合成气中的氧原子含量，保证催化剂的寿命；经过循环气净化分子筛r-002的合成气进入循环气压缩机k-001加压以平衡系统的压降，加压后的循环合成气经循环气换热器e-003换热升温后与氨合成新鲜气一道进入氨合成反应器r-001。

9、本发明采用低压流化床氨合成反应器，催化剂粒度为微米级，优选的主体颗粒密度小于100μm。反应压力小于10mpag，氨合成气进气压力与上游氢气压力匹配，不设置合成气压缩机，对应粉煤气化，操作压力2.8mpag，对应水煤浆气化、油气化，操作压力5.0mpag，对应水电解制氢，操作压力为1.2mpag。本发明的合成气氨回收采用溶剂吸收加精馏的方式，氨洗塔富氨液循环，精馏塔贫氨液循环返回氨洗塔作为洗氨溶剂，洗氨溶剂为氨浓度合适范围的含氨混合溶液，使得洗氨塔出口合成气中含氨量低、含氧介质浓度低、精馏能耗低，进而使得整个工艺流程的能耗及操作费用最低。本发明的循环气净化通过循环水冷和分子筛净化，热再生的方式去除循环合成气中的含氧介质，并保证连续运行。本发明的能源消耗主要为精馏塔再沸器热量消耗，再沸器动力源可以选择低品位蒸汽，以提高全厂低位热的利用率，再沸器动力源选择与合成反应器出口热合成气耦合，以减少外界动力蒸汽的依赖。

10、步骤(1)中，在装置开工或氨合成反应器r-001温度低时，通过开工加热器f-001加热氨合成新鲜气以促进氨合成反应。

11、步骤(3)中，洗氨塔c-001顶另一股洗氨溶剂来自氨精馏提纯系统返回的含氨溶剂，洗氨塔c-001的洗氨溶剂补充从塔顶补入，以平衡塔顶合成气夹带的微量洗涤氨溶剂损失。

12、步骤(4)中，氨精馏c-002塔底贫氨液经贫液加压泵p-002送至氨回收系统。

13、步骤(5)中，r-002设置一开一备，通过蒸汽加热再生的方式实现连续操作。

14、所述的氨合成反应器r-001包括：

15、壳体，内部中空形成有上下衔接的第一部分、第二部分，所述第二部分的上部形成反应区域、下部形成催化剂容置区域，所述第一部分的直径大于第二部分的直径形成催化剂分离区，所述壳体顶部设置有出气口；

16、第一混合段，设于所述第二部分的上部且竖向延伸，所述第一混合段的顶部设置有氨合成新鲜气入口、第一股循环气入口，底部设置有出口；

17、换热器，连接于所述第一混合段之下，用于将第一混合段输出的混合气预热至催化剂起活温度以上；

18、第二混合段，连接于所述换热器之下，该第二混合段的顶部开有第二股循环气入口，用于将换热器输出的预热后的混合气与第二股循环气进一步混合，所述第二混合段的底部开有供混合后的反应气输出至催化剂容置区域中的输出口；

19、隔板，内边缘与所述第二混合段的外壁连接、外边缘与所述壳体的内壁连接，用于将所述第二部分分隔出相对独立的反应区域、催化剂容置区域，所述隔板上开设有若干个能与反应气流速配合将反应气带起的催化剂与反应气形成流化状态并进入反应区域中的开孔。

20、本发明的氨合成反应器r-001将原料气分多股注入，有利于提高气流分布的均匀性；预热后的反应气将催化剂流化后均匀分布在反应区域中，原料气与催化剂充分接触，有利于提高反应效率及反应转化率；反应区域中的反应气及生产的高温合成气始终与换热部分接触，热量被实时回收、用于预热混合气，提高了能量利用率、有利于降低装置能耗，同时，被回收热量后反应区域中气体的温度得到控制，有利于进一步提高反应转化率。

21、优选地，经所述催化剂分离区分离出的气体经出气口输出，分离出的催化剂在重力下沉降至所述反应区域中与向上输送的流化物料混合并参与流化态反应；流化态反应生成的高温合成气同时作为热源对经换热器向第二混合段输送的混合气进行预热。本发明的反应区域中生成的高温合成气兼具以下作用：(1)向上输送从而对分离且下沉的催化剂进行冲击，使该部分催化剂立刻参与流化态反应，保持反应区域中的催化剂及反应气混合均匀，以提高反应效率；(2)作为热源对经换热器向下输送的混合气进行预热，提高能量利于率；(3)在作为热源对换热器内物料进行预热的同时，高温合成气的热量被部分回收，温度降低，有利于推动反应进行，提高反应转化率。

22、优选地，所述第一混合段、换热器、第二混合段自上而下相互衔接形成竖向布置在壳体第二部分中的整体，所述第一混合段的上端形成向上拱起的导流面，所述第一部分与第二部分之间通过自下而上直径逐渐增大的过渡段连接，所述导流面低于该过渡段布置。

23、优选地，所述催化剂过滤器s-001设于壳体顶部且与壳体串接，所述催化剂过滤器s-001的入口与壳体顶部的出气口相连接，所述催化剂过滤器s-001的顶部设置有合成气出口，所述催化剂过滤器s-001的底部设置有供分离出的催化剂回流至壳体中的回流管线。

24、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的氨合成反应器r-001采用微米级催化剂，反应效率高，可在低压下完成合成反应，反应器中的原料气与催化剂接触充分，有利于提高催化活性，提高单程转化率，在低压操作条件下，保证较好的氨净值；

25、本发明采用常规的换热器、塔器、容器和反应器，机械设备仅一台循环气压缩机和常规机泵，循环气压缩机操作条件温和，相比传统合成工艺，投资显著降低，机械设备的可靠性明显提高；

26、由于本发明的氨合成反应器r-001操作压力低，氢分压显著降低，泄漏风险低，降低了设备的制造和选材要求，同时因操作压力降低，管道、阀门等连接可采用法兰连接，有利于设备检修，可彻底解决现有合成氨装置环境中存在氨臭味的现象；

27、本发明的氨合成反应不需要额外加压，减少了压缩功耗；循环气中氨含量很低，提高了合成反应单程转化率；氨分离回收采用吸收、精馏的方式，与现有冰机制冷方案相比，减少了压缩机械损失，提高了能量利用效率；本发明的精馏热源可采用低品位热源，有利于提高全厂的能量利用效率。