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CN1088451C - 氨和甲醇联合生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种在包括串联布置的第二烃水水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段，以及氨合成工段的装置中联合生产氨和甲醇的方法，特别优异之处在于，来自甲醇合成工段的未反应气流，在送入低温CO转化工段之前，要用已经与来自第二烃水蒸汽工段的气流进行间接热交换而加热的含水液流饱和。

Description

氨和甲醇联合生产方法
发明领域
本发明涉及在包括串联布置的第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段，及氨合成工段的装置中，联合生产氨和甲醇的方法，所述方法包括如下步骤：
-取出来自所述第二烃水蒸汽转化工段的含CO、CO2、H2和H2O的气流；
-将所述气流送入冷却和H2O分离工段；
-在所述冷却和H2O分离工段中，将所述气流冷却并分离出所含水；
-将来自冷却和H2O分离工段的基本无H2O气流送入甲醇合成工段；
-基本无H2O气流在所述的甲醇生产合成工段进行反应；
-将来自所述甲醇合成工段的含CO、CO2、H2和CH3OH的气流送入甲醇分离工段；
-将含甲醇料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流在所述甲醇分离工段分离；
-将来自所述甲醇分离工段的所述基本无甲醇气流送入所述低温CO转化工段；
本发明还涉及实施上述方法的氨和甲醇联合生产装置，和氨合成装置的现代化方法。
众所周知，在氨和甲醇联合生产领域，越来越需要提供一种易实施的合成方法，能够以较低的操作和投资费用，以及较低的能耗，达到预期的生产能力。
先有技术
为达到满足上述需求的目的，最近已有本领域人士提出一种氨和甲醇联合生产方法，其中将来自合成氨装置第二烃水蒸汽转化工段的富含CO、CO2和H2的气流转送到一个能冷凝和分离所含水的工段，然后再输送到生产甲醇的合成工段。此后，未反应的气体又重新送入到合成氨装置高温CO转化工段的下游。
尽管上述方法有某些优点，但仍存在着一些缺点，首先，来自甲醇合成工段的未反应气流，在送回合成氨过程之前，要与高或中压水蒸汽流混合，以使温度和H2O浓度达到有利于其后的CO转化反应的值。
其次，由于按先有技术的氨和甲醇联合生产方法会产生高蒸汽消耗、高操作费用和高能耗问题，这一点就使利用合成氨装置存在的气体来生产甲醇的优越性大打折扣。
除此之外，在上述方法中，生产甲醇的反应工段包括一个压力通常在50bar和100bar间的循环合成管路，这个压力要大大高于合成氨装置中第二烃水蒸汽转化工段的压力。
因此，用于实施按先有技术方法的装置就需要特殊的设备，将未反应的气体再循环回合成反应器，并将来自第二烃水蒸汽转化工段的气流压缩，这样就有设备结构复杂和投资费用高的问题。
本发明概要
本发明所面临的问题是要提供一种简单易行且能够以较低操作和投资费用以及较低的能耗达到预期生产能力的氨和甲醇联合生产方法。
按照本发明，通过上述类型氨和甲醇生产方法能够解决上述问题，该方法的特征在于包括将已通过与来自第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换而适当加热的含水液流送入来自甲醇分离工段的基本无甲醇气流中的步骤。
有利之处在于，可以用水饱和要输送到低温CO转化工段的基本无甲醇气流，并且通过间接利用来自第二烃水蒸汽转化装置的热量来调节气流的温度。
这样就避免了在氨和甲醇联合生产方法中用外加热源，例如像在先技术中所提及的引入水蒸汽的情况，因此也就大大降低了能耗。
送入基本无甲醇气流的含水液流的温度优选在100℃到300℃之间，使返回至合成氨过程的气流温度达到有助于在低温CO转化工段进行转化反应的温度。
此外，按照按本发明方法的特别优异实施方案，含水液流至少部分来自冷却和H2O分离工段。
这样，按本发明的方法就能通过将甲醇合成工段上游的冷却和水分离工段中冷凝得到的水再循环到返回合成氨工段之前的未反应气流中，使其得以回收和利用。
因此，在送入低温CO转化工段的气流中的水浓度可通过限制或消除添加外部水到氨和甲醇联合生产过程中而得到控制，同时达到简化装置和减少操作和投资费用及能耗的目的。
有利之处在于，基本无水的气流是在一种“单程”型甲醇生产合成工段中进行反应，这样能使合成工段设备简化，因而，较之设有包括在先技术所述类型合成回路的甲醇反应工段的装置，投资费用大大降低。
在下面的说明及所附的权利要求中，术语“单程型合成工段”应理解成是指一种未反应的废液不再循环至合成反应器的反应工段。
为实施上述方法，本发明优选考虑使用如下的氨和甲醇联合生产装置，包括：
-串联布置的第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段；
-与所述低温CO转化工段流体连通的氨合成工段；
-冷却和分离工段，用来冷却和分离来自所述第二烃水蒸汽转化工段且还含有CO、CO2和H2的气流中所含的H2O；
-甲醇生产的合成工段，进料为来自所述冷却和H2O分离工段的基本无水气流。
-甲醇分离工段，来自所述甲醇合成工段的气流送入该工段，将含甲醇的料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分开；
-与低温CO转化工段流体连通的H2O饱和工段，用来饱和所述基本无甲醇气流；本装置的特征在于包括：
-与所述的饱和工段流体连通的加热工段，通过与所述的来自第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换来加热所述的含水液流。
该装置的特点在于包括一个将含水液流与所述的来自所述的与所述饱和工段流体连通的第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换的加热工段。。
按照本发明的另一方面，还采用一种合成氨装置的现代化方法，这类装置包括串联布置的第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段，以及氨合成工段，所述方法包括：
-提供一个用来冷却和分离来自所述第二烃水蒸汽转化工段且还含有CO、CO2和H2的气流中所含H2O的工段；
-提供一个生产甲醇的合成工段，进料为来自所述冷却和分离工段的基本无水气流；
-提供一个甲醇分离工段，来自所述甲醇合成工段的气流送入该工段，将含甲醇的料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分离；
-提供一个用来饱和所述基本无甲醇气流的H2O饱和工段；
-提供一个用来将含水液流与来自所述第二烃水蒸汽转化工段的所述气流进行间接热交换的加热工段；
-提供在所述加热工段与所述饱和工段之间的连接管路，将已经适当加热的含水液流送入所述饱和工段；
-提供在所述饱和工段与所述低温CO转化工段之间的连接管路，将含CO、CO2、H2和H2O的气流送入所述CO转化工段。
由于有了使用目前这种合成氨装置的现代方法，就可以获得一种简单易行，且能以较低的操作和投资费用以及较低的能耗达到预期生产能力的氨和甲醇联合生产方法。
下面将通过下述非限定性实施例，参照附图来说明实施方案，从中了解本发明的特点和优越性。
附图的简要说明
图1示出按本发明的氨和甲醇联合生产方法的方框图。
附图的详细说明
图1所示的方框图用来说明按本发明的氨和甲醇联合生产方法的各个步骤。
参考号10表示用来说明氨生产过程各个步骤的方框图部分。
在该部分10中，方框11-17分别表示第一烃水蒸汽转化工段、第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段、低温CO转化工段、CO2分离工段、甲烷化工段和氨合成工段。
横贯方框11-17的物料线1代表一个气流，其组成随通过不同的反应工段而变化。
例如，在第一烃水蒸汽转化工段(方框11表示)的入口处，气流1主要包括甲烷或天然气，而在氨合成工段的出口，气流1主要是氨。
在合成氨生产过程中，当气流通过不同工段的通道时发生不同类型的反应，所采用的操作条件是高压高温合成氨装置的常规条件，对本专业人士是熟知的，在此不做进一步说明。
参考号20表示用来说明甲醇生产过程各个步骤的方框图部分。
在此部分20中，方框21-25分别表示冷却工段、H2O分离工段、甲醇合成工段和用水饱和未反应的基本无甲醇气流的工段。
物料线2代表一个来自物料线1于第二烃水蒸汽转化工段(方框12表示)  处分出的含CO、CO2、H2和H2O的气流。
物料线2横贯冷却工段(方框21表示)，气流中所含的大部分水蒸汽在此冷凝，再送入H2O分离工段(方框22表示)。
来自方框22的物料线3代表一个含CO、CO2和H2的气流。
物料线3横贯甲醇合成工段(方框23表示)，气流中所含的部分反应试剂在此进行反应得到甲醇，再送入分离工段(方框24表示)，在此将未反应的含CO、CO2和H2的气流与甲醇分离。
物料线6表示如此制得的甲醇流，而物料线5代表未反应的基本无甲醇气流，再送入饱和工段(方框25表示)。
有利之处在于，已预先在方框21中通过与来自第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换而加热后的含水液流的物料线4也进入方框25的入口处。
如图1所示，自未反应的基本无甲醇气流的饱和工段(方框25表示)分出的含CO、CO2、H2和H2O的气流物料线7，又返回合成氨过程的物料线1，于低温CO转化工段(方框14表示)的上游进入。
自方框25还分出一条含水液流的物料线8，循环回方框21上游的物料线4。
按照本发明方法，含CO、CO2、H2和H2O的气流取自第二烃水蒸汽转化工段(方框12)，被送入冷却(方框21)和H2O分离(方框22)工段，在此工段中，气流被冷却且分离出其中所含的水。然后将来自冷却和H2O分离工段的基本无水气流送入甲醇合成工段(方框23)进行反应，转化成甲醇。来自甲醇合成工段的气流再送入甲醇分离工段(方框24)，将含甲醇的液流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分开，接着将气流送至低温CO转化工段(方框14)。
按照本发明的另一步骤，最好将含水液流通过与来自第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换而适当加热，再送入到来自甲醇分离工段的基本无甲醇气流。
按此方法操作，来自第二烃水蒸汽转化工段的气流中至少部分热量得到很好回收，用来水饱和及加热要送入低温CO转化工段的气流。
在图1的实施例中，含水液流在冷却工段(方框21表示)进行加热。
按本发明方法，要送入饱和工段(方框25)的含水液流优选预先加热至150℃至280℃问的温度，以便使要送回合成氨过程的基本无甲醇气流的温度回到有利于CO连续转化的值。一般来说，该温度值在180℃到250℃之间。
在按本发明方法一个未示出的特别优异实施方案中，含水液流被加热前，先适当压缩，加热后，经膨胀步骤，使要送入基本无甲醇气流的液流中所含的部分水进行闪蒸蒸发。
按此方式，要送入饱和工段的液流最好包括高热值水蒸汽，非常容易用水饱和和加热来自甲醇分离工段(方框24)的气流。
来自方框22的含水液流最好被压缩至20bar到100bar之间的压力，优选60bar。
按本发明方法的另一备择和特别优异的实施方法，含水液流至少有一部分来自冷却和水分离工段(方框21，22)。
在图1中，该备择实施方案用虚物料线4’表示。
按此方式，可以将来自第二烃水蒸汽转化工段的气流中所含水，经适当冷凝后，由甲醇合成工段的上游分离出来，用来饱和要送回合成氨过程的基本无甲醇未反应气流。
冷却和H2O分离工段和饱和工段的作用分别是在进行合成反应之前，将气态反应试剂中所含的水至少除去一部分，防止H2O(反应产物)成为转化反应阻聚剂和在要送回至合成氨过程的气流中加入H2O，以利于CO转化反应。
由于有了本发明方法，现在就能够直接利用前面冷却和H2O分离工段得到的H2O，对要转送到CO转化工段的气流进行饱和操作。
在按本发明方法的一个备择实施方案中，送到基本无甲醇气流的含水液流完全来自冷却和H2O分离工段，这样就无需使用从外部送入的饱和蒸汽流。
按照本发明，来自分离工段(方框22表示)的基本无H2O气流在一个生产甲醇的合成工段(方框23)内反应，该工段最好包括一个“单程”型反应器。
氨和甲醇联合生产方法的先有技术是采用一种包括循环合成管路型甲醇合成工段，与之相比，本发明能够削减掉所有将至少一部分未反应的反应试剂循环到合成反应器的相关部分设备，这样就大大降低了投资费用和能耗。
在本发明一个未示出的备择实施方案中，也可以配备包括多个串联布置的“单程”反应器的甲醇合成工段，使气态反应试剂的转化程度更高。该实施方案特别适合于大量生产甲醇的情况。
图1中，用来将未反应气流与生产的甲醇流分离的甲醇分离工段(方框24表示)，通常是由分离器构成，气体在分离器中冷却至接近室温，从而使所含的甲醇冷凝。
甲醇合成过程所用的压力条件最好与合成氨过程的压力近似相等。
按本发明方法的甲醇生产部分压力最好是在20bar到50bar之间。
实际上，已经发现，甲醇合成工段(方框23)的压力采用与本方法氨合成部分压力近似的操作条件时，也可以得到满意的转化收率。
按此方式，实施本方法的装置可以进一步简化，从而减少操作及投资费用和能耗，因为这样就不需要使用如按在先技术的氨和甲醇联合生产方法所用的压缩机。
最后，按照本发明方法，来自第二烃水蒸汽转化工段的气流在冷却工段(方框21)冷却至优选低于50℃的温度。
已经发现，在此温度以下，来自第二烃水蒸汽转化工段(方框12)的气流中所含水蒸汽基本上能够完全冷凝，有利于其后的甲醇合成步骤(方框23)，在所冷凝的水至少有一部分要回收的情况下，还能有利于用水饱和基本无甲醇气流(方框25)。
由于有了本发明方法，可以获得一种简单易行，低操作和投资费用及低能耗的氨和甲醇联合生产方法。
参照图1，氨和甲醇联合生产装置包括方框11-17和21-25所示的工段。
按本发明方法的装置最好还提供一个通过与来自与饱和工段流体连通的第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换来加热含水液流的工段。
在图1的实施例中，方框21所示工段也起着加热送入到基本无甲醇气流之前的含水液流的作用。
冷却或加热工段(方框21)可以包括一个或多个串联布置且位于H2O分离工段上游的热交换器，通过与含水冷液流进行热交换，来撤出本合成氨方法中来自第二烃水蒸汽转化工段气流的至少一部分热量，以便达到冷凝所含水蒸汽，同时加热含水液流的目的。
在备择实施方案中，按本发明的装置还包括适当的连接管路(物料线4’)，使H2O分离工段和加热工段之间流体连通，这样就能利用至少一部分来自第二烃水蒸汽转化工段(方框12)气流中所含水，来饱和要送回至低温CO转化工段(方框14)的未反应气流。
甲醇生产的合成工段23最好是“单程”型。
对于使用按本发明合成氨装置的现代化方法，非常重要的一点是能够很好地利用至少一部分来自第二烃水蒸汽转化器且富含CO、CO2和H2的气流，来生产具有经济价值的产品如甲醇，同时减轻合成氨的CO转化和CO2分离工段。
根据本现代化方法的不同步骤，在合成氨装置中，提供一个用来冷却(方框21)和分离(方框22)来自合成氨装置第二烃水蒸汽转化工段(方框12)气流中所含水的工段，接着将来自冷却和H2O分离工段的基本无H2O气流送入生产甲醇的合成工段(方框23)。来自甲醇合成工段的气流送入所提供的甲醇分离工段(方框24)，用来将含甲醇的液流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分开，气流在一个恰当装配的饱和工段用水饱和。
最好，还提供一个加热工段(方框21)，将含水液流与来自第二烃水蒸汽转化工段(方框12)的气流进行间接热交换，且提供加热工段与饱和工段间的连接管路(物料线4)。
最后，在饱和工段和低温CO转化工段(方框14)布置连接管路(物料线7)，将含CO、CO2、H2和H2O的气流送入CO转化工段。
在特别优异的备择实施方案中，按本发明的现代化方法还包括在冷却和H2O分离工段与加热工段间布置适当的连接管线(物料线4’)，将含水液流送入加热工段。
由上文，可清楚地看出本发明所具有的若干优点。具体地说，提供了一种简单易行，且能以较低操作和投资费用以及较低的能耗获得理想生产能力的氨和甲醇联合生产方法。

Claims (14)

1.在包括串联布置的第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段，及氨合成工段的装置中，联合生产氨和甲醇的方法，所述方法包括如下步骤：
-取出来自所述第二烃水蒸汽转化工段的含CO、CO2、H2和H2O的气流；
-将所述气流送入冷却和H2O分离工段；
-在所述冷却和H2O分离工段中，将所述气流冷却并分离出所含水；
-将来自冷却和H2O分离工段的基本无H2O气流送入甲醇合成工段；
-基本无H2O气流在所述的甲醇生产合成工段进行反应；
-将来自所述甲醇合成工段的含CO、CO2、H2和CH3OH的气流送入甲醇分离工段；
-将含甲醇料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流在所述甲醇分离工段分离；
-将来自所述甲醇分离工段的所述基本无甲醇气流送入所述低温CO转化工段；
-将来自所述低温CO转化工段的气流送入所述用于氨产生的氨合成工段；
其特征在于该方法包括如下步骤：
-将已通过与来自所述第二烃水蒸汽转化工段的所述气流进行间接热交换而加热后的含水液流送入所述的来自所述甲醇分离工段的基本无甲醇气流中。
2.按权利要求1的方法，其特征在于送入所述基本无甲醇气流中的含水液流温度在100℃到300℃之间。
3.按权利要求1的方法，其特征在于进一步包括在所述的与来自所述的第二烃水蒸汽转化工段的气流进行间接热交换的加热操作之前，将所述含水液流压缩的步骤，并在所述的将其送入基本无甲醇气流的操作之前，膨胀所述含水液流，使其中所含的部分水进行闪蒸蒸发。
4.按权利要求3的方法，其特征在于压缩步骤后，含水液流的压力在20bar到100bar之间。
5.按权利要求1的方法，其特征在于所述含水液流至少部分来自所述冷却和H2O分离工段。
6.按权利要求1的方法，其特征在于所述基本无水气流在“单程”型甲醇生产合成工段进行反应。
7.按权利要求1的方法，其特征在于所述甲醇生产合成工段的压力在20bar至50bar之间。
8.按权利要求1的方法，其特征在于所述的来自所述第二烃水蒸汽转化工段的气流在所述的冷却和H2O分离工段中冷却至低于50℃的温度。
9.氨和甲醇联合生产装置，包括：
-串联布置的第二烃水蒸汽转化工段(12)、高温CO转化工段(13)和低温CO转化工段(14)；
-与所述低温CO转化工段(14)流体连通的氨合成工段(17)；
-用来冷却和分离来自所述第二烃水蒸汽转化工段且还含有CO、CO2和H2的气流中所含H2O的冷却和分离工段(21，22)；
-甲醇生产的合成工段(23)，进料为来自所述冷却和H2O分离工段(21，22)的基本无水气流；
-甲醇分离工段(24)，来自所述甲醇合成工段(23)的气流送入该工段，将含甲醇的料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分开；
-与低温CO转化工段(14)流体连通的H2O饱和工段(25)，用来饱和所述基本无甲醇气流；本装置的特征在于包括：
-与所述的饱和工段(25)流体连通的加热工段(21)，通过与所述的来自第二烃水蒸汽转化工段(12)的气流进行间接热交换来加热所述的含水液流。
10.按权利要求9的装置，其特征在于本装置包括所述冷却和H2O分离工段(21，22)与所述加热工段(21)之间的连接管路(物料线4)，使含水液流送入加热工段。
11.按权利要求9的装置，其特征在于所述的甲醇生产合成工段(23)是“单程”型的。
12.合成氨装置的现代化方法，此类合成氨装置包括串联布置的第二烃水蒸汽转化工段、高温CO转化工段和低温CO转化工段，以及氨合成工段，所述方法包括如下步骤：
-提供一个用来冷却和分离来自所述第二烃水蒸汽转化工段且还含有CO、CO2和H2的气流中所含H2O的工段；
-提供一个生产甲醇的合成工段，进料为来自所述冷却和分离工段的基本无水气流；
-提供一个甲醇分离工段，来自所述甲醇合成工段的气流送入该工段，将含甲醇的料流与基本无甲醇的含CO、CO2和H2的气流分离；
-提供一个用来饱和所述基本无甲醇气流的H2O饱和工段；
-提供一个用来将含水液流与来自所述第二烃水蒸汽转化工段的所述气流进行间接热交换的加热工段；
-提供在所述加热工段与所述饱和工段之间的连接管路，将已经适当加热的含水液流送入所述饱和工段；
-提供在所述饱和工段与所述低温CO转化工段之间的连接管路，将含CO、CO2、H2和H2O的气流送入所述CO转化工段。
13.按权利要求12的方法，其特征在于在所述冷却和H2O分离工段与所述加热工段间提供连接管路，将含水液流送入加热工段。
14.按权利要求12的方法，其特征在于所述的甲醇生产合成工段是“单程”型的。
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