[发明专利]生产氨合成气的方法

说明书

发明领域

本发明涉及烃的转化，以制备生产氨所需的合成气体(合成气)。

现有技术

制备氨需要含氢(H₂)和氮(N₂)的合适比例为3∶1的合成气。

本领域技术人员熟知，通过对烃(HC)原料进行转化生产所述合成气。所述HC原料通常为氢和碳的原料来源，例如甲烷、天然气、石脑油(naphtha)、GPL(液化石油气)或炼厂气及其混合物。通常，该原料为天然气或甲烷。

在一种众所周知的方法中，将脱硫的烃以合适的比例与蒸汽混合，所得混合物被允许进入一段转化炉，其中，所述混合物在适当压力范围15-35巴、高温范围780-820℃下通过合适的催化剂上方，使进料中大多数烃被蒸汽转化(转变)为一氧化碳、二氧化碳和氢的混合物。

所述转化为吸热反应，所述催化剂装在众多催化管中，所述催化管由燃料气体与空气燃烧提供的反应热量进行外部加热。所述催化管外部的压力通常接近大气压。

由一段转化炉出来的产物气供给二段转化炉，通常所述二段转化炉内的催化床中含有合适的催化剂且催化床上方有反应空间，所述二段转化炉还接收一股控制流量的空气以供给下游氨合成所需的氮。

氧气在所述催化床上方的空间与来自一段转化炉的产物气中的易燃组分反应，所得的组合产物气以升高的温度进入催化床。

在向下通过所述催化剂期间，剩余的甲烷与蒸汽恒温反应，导致二段转化炉产物气出口的典型温度约1000℃、超过99％的烃进料被转变为碳的氧化物和氢。

由二段转化炉排出的转化气接着由一系列的下游设备常规处理，以去除碳的氧化物并得到适于氨合成的气体组合物(即H₂/N₂摩尔比接近3∶1)。这些设备包括至少：

-“高温”CO变换炉和其后的“低温”变换炉，其中，大多数转化气中的一氧化碳(CO)与未反应的蒸汽一起被催化转变为二氧化碳和额外量的氢；

-CO₂洗涤塔，在该洗涤塔中通过用合适的溶剂如胺或碳酸钾的水溶液洗涤所述气体而去除所述二氧化碳，从而得到包括摩尔比约3∶1的氢和氮以及微量的甲烷、碳的氧化物和氩的气流；

-甲烷化反应器，其中剩余的碳的氧化物被催化转变为甲烷，从而避免含氧化合物造成下游的氨合成催化剂中毒。

接着，在典型地为15-25巴的低压下得到氨合成气，并将其压缩以达到氨合成回路的压力，通常该压力的范围为80-300巴，典型地为约150巴。

由于需要较大的压缩区，输出合成气的低压是该方法的缺陷。同样，由于这种相对低的压力，其它设备如管道工程管也要较大的，因而更加昂贵。另一个缺陷为一段转化炉中的水碳比(SC比)必须维持在高于某个下限，通常为约2.7。这是因为在低SC比下，常规“高温”CO变换炉的催化剂会因费托合成(Fischer-Tropsch synthesis)而产生过度还原和不良副产物。然而，高SC比意味着以更大的流速通过一段转化炉，因而在给定产率下，一段转化炉就会更大和更昂贵，或相反，产率的增加受到转化炉大小的限制。

还有一个缺陷为，将CO转变为CO₂和不断去除CO₂通常是花费昂贵的工艺步骤。尤其是，前述去除CO₂的化学工艺是基于与胺或碳酸钾反应，需要大量的热量，因而成为保持高SC比的另一个理由。低SC比的气流无法提供化学去除CO₂所需的热量。

发明概述

本发明要解决的问题是克服上述缺陷。

该问题由一种以含烃为原料生产氨合成气的方法解决，该方法包括如下步骤：在一段转化炉中对含烃原料进行蒸汽转化，得到部分转化(partial reformed)气蒸汽，再在二段转化炉中对所述部分转化气蒸汽进行二段转化，在有过量空气的情况下运行，其特征在于：

-所述一段转化和二段转化于至少35巴压力下运行；

-冷却二段转化输出的合成气被并进行催化中温变换，将CO转变为CO₂和H₂；和

-在所述中温变换的下游，通过物理吸收将CO₂从所述合成气中去除。

根据一个优选的实施方案，所述中温变换在等温条件下实施，优选为220-320℃范围的基本恒定的温度下。在一个更优选的实施方案中，所述中温变换于所述220-320℃范围以基本恒定的温度在铜基催化剂上实施。