组成。所述至少一部分流可以包含它所来源的流的特定组分。
[0107]在本文中使用时，流的“分开的部分”是具有与从中取得所述部分的流相同的化学组成和组分浓度的部分。
[0108]在本文中使用时，“第一”、“第二”、“第三”等用于从多个步骤和/或特征之中加以区分，并且不是总数、或在时间和/或空间中的相对位置的指示，除非明确如此说明。
[0109]为了帮助描述本发明，指向性术语可以用于说明书和权利要求书中以描述本发明的部分(例如，上部，顶部，下部，底部，左，右等等)。这些指向性术语仅仅打算帮助描述和主张本发明，而不打算以任何方式限制本发明。另外，在说明书中结合附图引入的参考数字可以在一个或多个为了提供其他特征的背景的后续附图中重复而在说明书中不另外进行描述。
[0110]在权利要求书中，字母或罗马数字可以用于标识所主张的步骤(例如，(a)、(b)和(C)，或(i)、(ii)、(iii))。这些字母或数字用于帮助指代所述方法步骤并且不打算表明所要求的步骤进行的次序，除非这样的次序在权利要求书中被特别叙述并且仅达到这样的次序在权利要求书中被特别叙述的程度。
[0111]术语“贫化的”是指比形成它的原始流具有更低摩尔％浓度的所指气体。“贫化的”不意味着所述流完全没有所指的气体。
[0112]术语“富”或“富集的”是指比形成它的原始流具有更高摩尔％浓度的所指气体。
[0113]“下游”和“上游”是指工艺流体转移的计划流向。如果工艺流体的计划流向是从第一装置到第二装置，则第二装置是与第一装置流体下游流体连通。在再循环流的情况下，下游和上游是指工艺流体的第一流程。
[0114]除非另有指示，所有的压力值和范围是指绝对压力。
[0115]本发明涉及生产氨的系统和方法。
[0116]用于生产氨的系统和方法将参考附图描述。
[0117]用于生产氨的系统包括离子转运膜组件70。所述离子转运膜组件70包含离子转运膜层并具有用于将包含氧气和氮气的第一进料气体71引入离子转运膜组件70中的入口、用于从离子转运膜组件70抽取氮气产物73的第一出口、和用于从离子转运膜组件70抽取氧气产物75的第二出口。进料气体71通常是加热的压缩空气。进料气体71可以通过间接或直接传热进行加热。通过直接传热加热可以，例如，通过燃烧气态燃料与大大过量的空气完成，从而形成进料气体71。
[0118]用于生产氨的方法包括在离子转运膜组件70中分离包含氧气和氮气的第一进料气体71，以形成氮气产物73和氧气产物75。
[0119]离子转运膜层是包含混合金属氧化物的陶瓷膜材料活性层，其能够在升高的温度下转运或渗透氧离子。所述离子转运膜层还可以转运电子以及氧离子，并且这种类型的离子转运膜层通常描述为混合导体膜层。所述离子转运膜层还可以包含一种或多种元素金属，从而形成复合膜。
[0120]所述膜层(其非常薄)通常由多孔层支撑结构和/或肋状支撑结构支撑。所述支撑结构通常由相同的材料(即它具有相同的化学组成)制成，从而避免热膨胀失配。然而，所述支撑结构可以包含与所述膜层不同的化学组成。
[0121]膜单元，也称为膜结构，包括进料区、氧气产物区、以及布置在进料区和氧气产物区之间的膜层。含氧气体经过所述进料区并接触所述膜层的一侧，氧气通过所述膜层转运，而贫氧气体从进料区抽取。可以包含至少99.0体积％氧气的氧气体产物从所述膜单元的氧气产物区抽取。所述膜单元可以具有本领域已知的任何构造。当所述膜单元具有平面构造时，它通常称为“晶片(wafer)”。
[0122]膜模块，有时称为“膜堆”，包含多个膜单元。在本离子转运膜组件70中的膜模块可以具有本领域已知的任何构造。
[0123]“离子转运膜组件”，也称为“离子转运膜系统”，包含一个或多个膜模块、容纳所述一个或多个膜模块的压力容器、以及为了引入一种或多种进料流和抽取从所述一种或多种进料流形成的两种或更多种流出物流所必需的任何其他组件。所述其他组件可以包括本领域已知的流控制管道、绝缘、歧管等等。当使用两个或更多个膜模块时，在离子转运膜组件中的所述两个或更多个膜模块可以并联和/或串联排列。
[0124]示例性的离子转运膜层、膜单元、膜模块、和离子转运膜组件(系统)在美国专利5，681，373 和 7，179，323 中描述。
[0125]所述离子转运膜组件可以通过引入包含氧气和氮气的进料气体71运行。所述进料气体71进入离子转运膜组件70可以具有从750 °C到950 °C的温度和/或从0.6MPa到4.2MPa的压力。所述进料气体可以是已知用于离子转运膜组件的任何含氧和含氮气体。所述进料气体可以是，例如，空气、贫氧空气或氧富集空气。进料气体71可以从燃烧器排空，燃烧器以不足燃料(fuel lean)运行(因此具有超过燃烧所有燃料所需要的氧)。
[0126]进料气体71中的氧气通过一个或多个膜单元转运以在所述一个或多个膜单元的进料侧形成氮气产物73和在所述一个或多个膜单元的产物侧形成氧气产物75。所述方法包括从离子转运膜组件70抽取氮气产物73，和从离子转运膜组件70抽取氧气产物75以提供气化器20需要的总体氧气产物的至少一部分。氮气产物73在与进料气体71基本上相同的压力下抽取。氮气产物73由于流体流通过管道、换热器、膜模块等等固有的压力降而处于稍低的压力下。优选地，总压力降被限制在小于700kPa。优选地，所述总压力降足够小以使得离子转运膜组件70出口处的氮气产物73的压力是入口处的进料气体71的压力的至少70%。可以运行所述方法使得氧气产物75在范围从约20kPa至约172kPa的压力下抽取，然后在气化器20中进行任何冷却和再压缩步骤以达到最终使用压力。氧气产物75可以在压缩器77中压缩。
[0127]虽然气化器20的全部需氧量可以用离子转运膜组件70满足，但这将产生大大过量的高压N2产物流73，具有比氨生产的化学计量需要多得多的N2。人们不可能负担这种过量N2流中内在的压力能量的“浪费” 一一因此本发明的利益是最小化并且事实上消除了由离子转运膜组件70产生的这种过量氮气。单纯通过减小离子转运膜组件70的尺寸来消除这种过量以符合N2需求将使得气化器20缺乏氧气。
[0128]在本发明中，气化器需氧量的未满足部分用低温空气分离单元10满足。所述系统包含低温空气分离单元10用于产生第二氧气产物13和含氮副产物15。低温空气分离单元是行业中已知的。在本文中使用时，低温空气分离单元是利用蒸馏形成氧气产物(例如，具有大于95摩尔％ O2或大于99.5摩尔％ O2的产物)及任选的氮气产物和/或氩气产物的任何空气分离设备。
[0129]所述方法包括在低温空气分离单元10中分离包含氧气和氮气的第二进料气体11，以形成第二氧气产物13和含氮副产物15。
[0130]如图1所示，第二进料气体11，通常是空气，被引入低温空气分离单元10中以形成氧气产物13和含氮副产物15。第二进料气体11 (例如空气)可以被压缩、过滤、干燥和冷却以在如本领域已知的低温温度下蒸馏。
[0131]用于所述离子转运膜组件的第一进料气体71可以是与用于低温空气分离单元10的第二进料气体11相同的组成。用于所述离子转运膜组件的第一进料气体71可以是与用于低温空气分离单元10的第二进料气体11不同的组成。
[0132]所述系统包括气化器20。气化器20被操作地布置以接受来自离子转运膜组件70的至少一部分氧气产物75和来自低温空气分离单元10的至少一部分第二氧气产物13。含碳材料21被引入气化器20中并在其中与低于化学计量的量的氧气反应，其中所述氧气由来自所述离子转运膜的所述至少一部分氧气产物75和来自低温空气分离单元10的所述至少一部分第二氧气产物13提供，以产生包含H2、CO2, CO和H2O的合成气体23。任选地，温度缓冲剂(temperature moderator)例如蒸汽、二氧化碳和/或氮气也可以引入气化器20中。
[0133]所述方法包括使含碳材料21和氧气在足以产生包含H2、C02、C0和H2O的合成气体23的反应条件下反应。所述氧气提供量低于含碳材料完全燃烧所需的化学计量的量，并且所述氧气由来自离子转运膜组件70的至少一部分氧气产物75和来自低温空气分离单元10的至少一部分第二氧气产物13提供。
[0134]氧气和含碳材料21引入所述气化器中的准确方式在本领域技术人员的技能范围之内。氧气产物13和氧气产物75可以掺混并引入气化器20中或者分别引入气化器20中。低温空气分离单元10、离子转运膜组件70和气化器20可以是通过管道或其他流体密封的流体运输工具操作地连接的单独的装置。离子转运膜组件70的离子转运膜可以在气化器20的外部并与所述气化器分隔开。因为所述离子转运膜材料是混合传导材料，由其产生的氧气通常将处于低于气化器20需要的压力下。因此，可能需要压缩器77。如图1所示，压缩器77与离子转运膜组件70操作地连接以在氧气传送到气化器20之前增加来自离子转运膜组件70的氧气产物的压力。压缩器77可以在接近环境温度下运行从而避免离子转运膜组件70、压缩器77和气化器20的整合。粗合成气23取决于含碳材料源和气化器类型可以包含其他杂质，例如硫化氢、硫化羰、甲烷、氨、氰化氢、氯化氢、汞、砷、和其他金属。除了气化器之外，本系统可以包含水煤气变换反应器、高温气体冷却设备、骤冷和涤气设备、灰/渣处理设备、二氧化碳、硫和酸性气体清除区段、气体过滤器、和涤气器。
[0135]术语“含碳的”在本文中用于描述各种合适的包含碳的原料并且意在包括气体、液体和固体烃、含烃材料、及其混合物。基本上任何可燃的含碳有机材料或其浆料可以包括在术语“含碳”的定义内。固体、气体和液体进料可以混合和同时使用；并且这些可以包括任何比例的链烧径、稀径、炔径、环烧径和芳族化合物。氧合含碳(oxygenated carbonaceous)有机材料也包括在术语“含碳”的定义内，包括碳水化合物、纤维素材料、醛、有机酸、醇、酮、氧合燃料油、来自化学过程的含有氧合含碳有机材料的废液和副产物、及其混合物。煤炭、石油基原料(包括石油焦和其他含碳材料)、废烃、渣油、和重质原油的副产物通常用于气化反应。城市废物、木材和生物质也可以用于气化反应。当所述原料是气体例如天然气或低沸点流体例如石脑油时，所述气化器经常被称为“部分氧化”或“Ρ0Χ”单元。还有，在许多这样的情况下，所述气化器可具有重整催化剂，其中所述气化器可以称为“自热重整器”或ATR0
[0136]能够利用或基本上需要富氧气体作为氧化剂的几种已知气化器的任何一种可整合到本发明的系统中。这些气化方法通常属于广泛的类别，例如，如“Gasificat1n” (C.Higman和M.van der Burgt，Elsevier，2003)的第5章中展示的。例子是移动床气化器，例如Lurgi干灰法、British Gas/Lurgi排澄气化器，Ruhr 100气化器；流化床气化器，例如Winkler 和高温 Winkler 法、Kellogg Brown and Root (KBR)转运气化器、Lurgi 循环流化床气化器、U-Gas熔聚流化床法、和Kellogg Rust Westinghouse熔聚流化床法；和气流床(entrained-flow)气化器，例如 Texaco、Shell、Prenflo、Noell、E-Gas (或 Destec)、CCP、Eagle、Koppers Totzek法。不是所有的气化器都能够用氧作为氧化剂运行-一些只能使用空气。利用无需氧富集的空气的气化器不构成本发明的一部分。一些气化器用以湿浆料形式供给的含碳材料运行，如Texaco，现在的GE (General Electric)或EQJST (East ChinaUniversity)汽化器。或者，可以对气化器供给干燥的含碳材料，如在Shell、Siemens和HTL气化器中所做的。预期用于所述系统中的气化器可以在约0.1至10.4MPa绝对压力和400°C至2000°C的压力