CN102815722B - 铁催化剂串钌催化剂氨合成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁催化剂串钌催化剂的氨合成工艺；第一和第二合成塔装铁系氨合成催化剂，第三合成塔装钌系氨合成催化剂，三塔串联连接；氢、氮循环气加压进入第一合成塔反应，第一合成塔出口气与新鲜合成气混合，体积比为3～4∶1，温度在370～380℃，进入第二合成塔反应，第二合成出口气与新鲜氮气混合，氢/氮摩尔比为3～2∶1，温度在360～370℃，进入第三合成塔，氮气和氢气在钌的催化作用下部分生成氨，放出热量，第三合成塔出口气氨浓度在19～23％，温度在400～430℃；出塔气去氨冷器分离出大部分的氨，未分离出的氨与未反应的氢、氮和氩大部分作为循环气进第一合成塔；该工艺实现了能量的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及在一合成环路中由氢和氮催化合成氨的过程。具体地说是利用铁催化剂和钌催化剂合成氨的工艺。
背景技术
合成环路广义上包括一个具有一个和多个反应器和一合成反应热排除装置的氨转化系统，一个液氨回收系统，一个含有氢回收单元的净化气流系统和一个为使气体在环路内循环并引入新的合成气体到环路中的压缩系统。
目前氨合成系统大多使用传统的熔铁催化剂，采取单塔或多塔操作。1992年11月，美国凯洛格公司与英国BP公司联合开发的活性炭载钌氨合成催化剂，第一次成功地工业化应用于加拿大Ocelot制氨公司氨厂的KAAP工艺。使用表明，钌系催化剂的催化活性比铁催化剂高，反应温度低，对水、一氮化碳、二氮化碳和氨不敏感，可以大大地提高系统的氨合成能力，降低氨合成的能耗和设备投资。美国专利US4568532介绍了一种铁串钌的补充氨合成工艺，合成圈由三个不同类型的氨合成塔串联组成。其中第一合成塔使用传统的塔结构，装铁催化剂，第二第三塔是球形热壁结构合成塔，使用活性炭载钌催化剂。在第一合成气压力为100～160kg/cm2时，终塔出口气氨的体积含量为13～18％；当第一合成气压力为100～160kg/cm2时，终塔出口气氨的体积含量为15～24％。
中国专利CN1544328A公开了一种氨合成铁催化剂串钌催化剂工艺，该工艺至少含有二个合成塔，第一合成塔装铁系催化剂，第二合成塔及后续各塔装钌基催化剂，或第一与第二合成塔均装铁系催化剂，第三及后续合成塔装钌系催化剂，各塔以串联方式连接。通过循环气与塔夹套的换热实现节能的目的。
与铁催化剂相比，钌催化剂具有高氨浓度条件下催化活性高的特点，同时，钌催化剂上，氢的吸附对氮的吸附有强烈的抑制作用，因此钌催化剂更适宜在氢/氮比较小的工况下使用。因此，有必要针钌催化剂的上述特点开发相应的工艺过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁催化剂串钌催化剂的氨合成工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在含有三个合成塔的氨合成系统中，第一合成塔和第二合成塔装铁系氨合成催化剂，第三合成塔装钌系氨合成催化剂，三塔以串联方式连接，实施氨合成铁催化剂串钌催化剂工艺，氢、氮循环气加压至10～15MPa(G)进入第一合成塔，塔入口气中含有在氨分离系统未分离掉的氨，体积分数在3％左右，通过第一合成塔床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，出口氨质量浓度为8～12％，温度为450～510℃；
第一合成塔出口气与新鲜合成气在静态混合器A中混合，第一塔合成塔出口气与新鲜合成气的体积比为3～4∶1，控制新鲜合成气的温度使混合后的气体的温度在370～380℃，进入第二合成塔，通过第二合成塔床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，第二合成塔出口气氨质量浓度在14～17％，温度在450～510℃；
第二合成出口气与新鲜氮气在静态混合器B中混合，控制新鲜氮气的体积使混合后气体中氢、氮摩尔比3～2∶1，控制新鲜氮气的温度使混合后气体的温度在360～370℃，进入第三合成塔，通过第三合成塔床层的体积空速为10000h-1，氮气和氢气在钌的催化作用下部分生成氨，放出热量，第三合成塔出口气氨质量浓度在19～23％，温度在400～430℃；
出塔气体去氨冷器分离出大部分的氨，未分离出的氨与未反应的氢、氮和氩分两部分，一小部分作为驰放气回收氢后排放，大部分作为循环气经压缩机压缩到10～15MPa(G)后进入第一合成塔。
和现有技术相比，本发明的方法具有如下主要的优点：
1、本发明将循环气压缩后直接送入第三合成塔反应，循环气中含有一浓度的氨，不和新鲜合成气混合，使循环气中的氨没有被稀释，使得氢气和氮气的初始浓度降低，合成氨反应放热量减小，床层温升降低；
2、本发明在第一反应器出口将新鲜合成气混入，新鲜合成气将第一反应器出口气中的氨的浓度稀释，使得进入第二合成塔的氢气和氮气的初始浓度降低，合成氨反应放热量减小，床层温升降低；同时，新鲜合成气与第一合成塔出口气换热，不需要另设换热设备，实现了能量的高效利用；
3、本发明在第二反应器出口将新鲜氮气混入，新鲜氮气将第二反应器出口气中的氨的浓度稀释，使得进入第二合成塔的氢气的初始浓度降低，氮气的初始浓度提高，氢/氮比降低，使之与钌催化剂的催化特性相适宜；同时，新鲜氮气与第二合成塔出口气换热，实现了能量的高效利用。
附图说明
图1是该发明的工艺流程图。
图中1增压换热后的循环气，2第一合成塔，3第一合成塔出口气，4新鲜合成气，5新鲜合成气压缩机，6新鲜合成气压缩机出口气，7静态混合器A，8静态混合器A出口气，9第二合成塔，10第二合成塔出口气，11新鲜氮气，12新鲜氮气压缩机，13新鲜氮气压缩机出口气，14静态混合器B，15静态混合器B出口气，16第三合成塔，17第三合成塔出口气，18氨冷器，19循环气，20驰放气，21循环气压缩机，22换热器，23驰放气。
具体实施方式
参考图1，示意性示出本发明方法。图中第一合成塔2装铁系催化剂，第二合成塔9装铁系催化剂，第三合成塔16装钌系催化剂，三个合成塔均为绝热式反应器，以串联方式连接。循环气19经循环气压缩机21增压至15MPa，经换热器22换热升温至380℃后进入第一合成塔2，塔入口气中氨的体积含量为5％，通过第一合成塔2床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，第一合成塔出口气体3中氨的体积含量为13％，温度为500℃，第一合成塔出口气3进入静态混合器A7，新鲜合成气4经过新鲜合成气压缩机5增压至14.8MPa进入静态混合器A7与第一合成塔出口气3混合换热，新鲜合成气4与第一合成塔出口气3的摩尔比为1∶4，控制新鲜合成气4的温度使出静态混合器A7的气体温度为380℃，静态混合器A出口气8进入第二合成塔9，静态混合器A出口气8中氨的体积含量为10.4％，通过第二合成塔9床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，第二合成塔出口气10中氨的体积含量为18％，温度为500℃，第二合成塔出口气10进入静态混合器B14，新鲜氮气11经过新鲜氮气压缩机12增压至14.6MPa进入静态混合器B14与第二合成塔出口气10混合换热，出静态混合器B14的气体温度为370℃，静态混合器B出口气15进入第三合成塔16，通过第三合成塔16床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在钌系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，第三合成塔出口气17中氨的体积含量为21％，温度为415℃。第三合成塔出口气进入氨冷器18，分离出大部分的氨，未分离下来的氨与未反应的氢气、氮气和惰性组分氩气的混合物分为两部分，一小部分作为驰放气20、23回收氢后排放，大部分作为循环气19循环到循环气压缩机21。
Claims (1)
1.一种铁催化剂串钌催化剂的氨合成工艺，其特征在于：在含有三个合成塔的氨合成系统中，第一合成塔和第二合成塔装铁系氨合成催化剂，第三合成塔装钌系氨合成催化剂，三个塔以串联方式连接；三个塔为绝热式反应器；
氢、氮循环气加压至10～15MPa进入第一合成塔，塔入口气中含有在氨分离系统未分离掉的氨，体积分数在3％，通过第一合成塔床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，出口氨质量浓度为8～12％，温度为450～510℃；
第一合成塔出口气与新鲜合成气在静态混合器A中混合，第一塔合成塔出口气与新鲜合成气的体积比为3～4:1，控制新鲜合成气的温度使混合后的气体的温度在370～380℃，进入第二合成塔，通过第二合成塔床层的体积空速为10000h-1，部分氢气和氮气在铁系催化剂的作用下反应生成氨，同时放出热量，第二合成塔出口气氨质量浓度在14～17％，温度在450～510℃；
第二合成塔出口气与新鲜氮气在静态混合器B中混合，控制新鲜氮气的体积使混合后气体中氢、氮摩尔比3～2:1，控制新鲜氮气的温度使混合后气体的温度在360～370℃，进入第三合成塔，通过第三合成塔床层的体积空速为10000h-1，氮气和氢气在钌的催化作用下部分生成氨，放出热量，第三合成塔出口气氨质量浓度在19～23％，温度在400～430℃；
出塔气体去氨冷器分离出大部分的氨，未分离出的氨与未反应的氢、氮和氩分两部分，一小部分作为驰放气回收氢后排放，大部分作为循环气经压缩机压缩到10～15MPa后进入第一合成塔。
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