[发明专利]用于生产氨合成气的工艺及氨装置的相关前端

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备合成气(也称合成气(syngas))的烃类的重整，所述合成气用于生产氨。

背景技术

氨(NH₃)的合成需要含氢(H₂)和氮(N₂)的合适摩尔比(HN比)为约3:1的合成气。术语氨合成气将参照具有以上组成的合成气使用。

已知由例如含甲烷的烃源的重整来生产所述合成气。

传统的重整如SMR(蒸气甲烷重整)包括初级重整器和次级重整器。例如在EP-A-2065337中公开了具有初级重整器和次级重整器的用于生产氨合成气的工艺。

根据现有技术，烃源如天然气在初级重整器中在大约800℃的温度下进行蒸气重整。离开所述初级重整器的第一气体产物在次级重整器中进一步与空气反应，在大约1000℃获得第二气体产物。然后将所述第二气体产物冷却用于热回收，并处理以去除碳氧化物，获得适于氨合成的气体组成即具有接近3:1的HN比。处理包括变换炉，在其中，在大约400-500℃下在高温变换器(HTS)中，和在低温变换器(LTS)中进行将CO转化为二氧化碳和氢；CO₂去除单元如洗涤柱；甲烷化反应器，在其中残余的碳氧化物被催化转化为甲烷。然后如此得到的净化气体在合成气压缩机中压缩至合成压力在80-300bar的范围内，且通常为大约150bar。由于在所述HTS反应器中装载的催化剂的固有限度，在所述初级重整器中的所述蒸气与碳的比(SC比)必须大于2.7，且通常等于3.0。

传统的SMR的一些缺陷来自初级重整器。初级重整器基本上是外部加热催化管的束，并引入最大流量和压力方面的限制。为避免在管上过大的应力，传统的初级重整器无法在高于35-40bar的压力下操作；因此，主压缩机的负荷是显著的，具有超过100bar的压力差且压力比大于5。

传统的具有HTS和LTS的设计的另一个缺陷是高的蒸气与碳的比意味着在所述重整器中较高的流量。由于相关的蒸气流量，这增加了所述蒸气重整器的负荷和尺寸。

因此所述前端的蒸气重整器基本上是氨装置的瓶颈，并且施加(impose)最大每天大约3000吨氨的容量。

上述传统工艺的一些变化也是已知的。使用过量空气能够减小对于给定容量的蒸气重整器的尺寸，但并不能解决合成气压缩机负荷的问题，并因为需要额外单元以去除过量的氮而增加了复杂性。气体加热重整器是减小初级重整器尺寸的另一种方式，但增加了成本和复杂性。

没有次级重整器的设计也是已知的。初级重整器的流出物直接按路线送至CO变换部分，且变换和去除CO₂后的净化合成气与氮混合以达到所需的HN比。所述氮在空气分离装置中产生。

这种设计简单但缺少次级重整器可能导致甲烷从初级重整器中逸出。为避免或至少减少甲烷逸出的必要措施包括：在重整器中的蒸气与碳的比接近3.0；在重整器管中较低的操作压力(通常25-30bar)，但较高的温度(通常>850℃)。而且，蒸气重整器的负荷高，因为重整器在缺少次级重整下不得不产生用于氨合成的所有氢。

基于上述原因，没有次级重整器的方案具有大的蒸气重整器，例如比传统的SMR大约50％，并且氨装置的最大尺寸相当。

现有技术还包括在自热重整器(ATR)和部分氧化(POX)反应器中转换烃源。自热重整器基本上是催化转换器，其中烃源(通常天然气)发生氧化并为重整提供热量。POX反应器是非催化反应器，其提供烃源的部分氧化。

自热重整器或POX反应器可以在高于传统管重整器的压力下进行操作，因此它们减少了主合成气压缩机的负荷。然而，基于例如自热重整的现有技术设计仍然非常复杂。它们通常包含ASU以提供氧，高温变换，然后CO2去除，干燥和氮洗涤以去除惰性物质。高温变换促使ATR进料中的蒸气与碳的比达到大约3，其增加了所述ATR中设备和HTS流出冷却段的尺寸，以及能耗。而且，由于所述HTS的高操作温度，大量的CO(超过4.0％v/v，干的)从所述HTS转换器中逸出并作为燃气损失掉，增大了每吨产品所消耗的天然气量，以及前端的尺寸。最后，深冷净化昂贵且能源密集。

这些工艺的改进是非常令人期望的，使大型氨生产单元的成本有效，其也易于操作。

发明内容

本发明的目的是克服如上所讨论的现有技术的缺陷。

为了达到这个目的，本发明提出一种用于由烃源生产氨合成气的工艺，包含：