一种双极单循环氨合成方法与流程

本发明涉及氨合成，具体涉及一种双极单循环氨合成方法。

背景技术：

1、氨的合成反应是1个n2分子和3个h2分子合成生成2个nh3分子，它要在高压(目前条件下铁基催化剂压力13.0mpa～32.0mpa)、高温(350c～520c)、有催化剂条件下进行反应。它是一个“可逆”的放热反应，提高压力、提高温度和降低反应物浓度均可以使反应向有利方向进行。由于每一次气体与催化剂接触生成的氨含量有限(一般小于20％)，因而要进行流程设置循环反应方式。

2、工程上我们一般采用适当的低温度、适当的运行压力和低一些的循环量来实现效率、节能等综合平衡。在实际运行中，在一定量的催化剂条件下，我们要尽量地降低反应入口气中的氨含量，尽量地提高氨合成合成塔出口的氨含量，得到最大化的催化剂反应效率。因此，采用多装催化剂、提高催化剂效率、降低气体的“循环量”(或称之为“循环比”)是常用的工程优化方法。

3、现有氨合成反应方法一般采用单塔循环方式，如中国专利cn105883852a公开了一种氨合成反应系统，包括：氨合成塔、组合式废锅、给水加热器、循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器、氨分离器、液氨槽、循环机，经过所述循环气热交换器内预热后的气体进入所述氨合成塔，反应后的气体从氨合成塔底部直接进入组合式废锅。单塔流程的气体循环比一般为3.0～3.8，气体循环量大，合成塔的氨净值低，合成塔运行效率低。

4、另外，进塔气中的氨含量，主要决定于进行氨分离时冷凝温度和分离效率，冷凝温度愈低、分离效果愈好，进塔气中氨含量也就愈低。目前，进行氨合成循环冷却、冷凝使用最广泛的冷冻剂为“氨”，一般来说，可使循环气中的氨含量降到3.8mol％左右；如果要再降低入口氨含量，就要采用气化温度更低些的冷冻剂，如co2和丙烯，这样，可以使合成塔的反应效率更大程度地提高，但是co2和丙烯会产生环境问题及爆炸的风险。

技术实现思路

1、为解决现有单塔循环氨合成方法气体循环量大，合成塔的氨净值低，合成塔运行效率低的技术上述问题，本发明提出了一种双极单循环氨合成方法。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种双极单循环氨合成方法，包括以下步骤：

4、(1)从循环机出口出来的气体进入热交换器a壳程提温后，进入氨合成塔a进行一级氨合成反应，生成反应气a；

5、(2)生成的反应气a依次进入蒸汽过热器a管程、蒸汽发生器a管程、給水预热器a管程、热交换器a管程、水冷却器a壳程，降温并完成热量回收后进入组合式冷却冷凝器进行冷量回收；

6、(3)完成冷量回收后的反应气a进入分离器a进行气液分离，分离出的气体返回组合式冷却冷凝器与反应气a交换热量后，进入热交换器b壳程，提温后气体进入氨合成塔b进行二级氨合成反应，生成反应气b；

7、(4)生成反应气b依次进入蒸汽过热器b管程、蒸汽发生器b管程、給水预热器b管程、热交换器b管程、水冷却器b壳程，降温并完成热量回收后进入组合式冷却冷凝器进行冷量回收；

8、(5)完成冷量回收后的反应气b进入分离器b进行气液分离，分离出的气体返回组合式冷却冷凝器与反应气b交换热量后，进入循环机入口；

9、(6)分离器a和分离器b分离出的粗氨进入闪蒸槽进行闪蒸，闪蒸气进入压缩机提升压力后，一部分进入循环机入口，补入到一级氨合成反应中；另一部分进入热交换器b壳程补入到二级氨合成反应中；

10、(7)来自净化精制后的新鲜原料气也进入压缩机提升压力后，一部分补入到一级氨合成反应中；另一部分补入到二级氨合成反应中。

11、更进一步地，新鲜原料气以1：1的方式分别补入到一级氨合成反应和二级氨合成反应中。

12、通过采用上述技术方案，使补入的新鲜气以0.5：0.5的方式补入到两个系列合成塔中，可以使得两个合成塔产氨量基本相同，催化剂负荷基本相同，合成效率基本相同，从而达到较高的氨合成效率。

13、进一步地，从锅炉车间来的锅炉給水一路进入給水预热器a壳程，升高温度后进入蒸汽发生器a壳程生成饱和蒸汽a，生成的饱和蒸汽a再进入蒸汽过热器a壳程生成过热蒸汽a排出；另一路进入給水预热器b壳程，升高温度后进入蒸汽发生器b壳程生成饱和蒸汽b，生成的饱和蒸汽b再进入蒸汽过热器b壳程生成过热蒸汽b排出。

14、通过采用上述技术方案，可以使得两个合成塔产生的反应热均各自采用生产蒸汽(可生产过热蒸汽或只生产饱和蒸汽)的方式进行热量回收。为了更量的回收蒸汽，两个反应体系中均设置了“锅炉给水预热器”。

15、进一步地，水冷却器a和水冷却器b的壳程分别通入冷却水a和冷却水b。由于水冷却器相对比较容易堵塞和泄漏，为便于检修，两个反应体系均单独设置了“水冷却器”。

16、进一步地，组合式冷却冷凝器包括冷交单元、第一冷却单元和第二冷却单元，反应气a和反应气b依次进入冷交单元、第一冷却单元和第二冷却单元，单独进行冷凝冷却后分别进入分离器a和分离器b；分离器a和分离器b分离出的气体进入冷交单元后分别与反应气a和反应气b进行交换热量；分别向第一冷却单元和第二冷却单元中通入液态冷冻剂，液态冷冻剂被反应气a和反应气b加热形成气态冷冻剂后分别从第一冷却单元和第二冷却单元中排出。

17、本技术通过设置两股流分开型的“组合式冷却冷凝器”，将两反应系列出来的氨合成后的反应气通过一台组合型设备，实现各自分别“二级冷却”、“两级冷交换”和制冷剂的一次性完成的双股流的“蒸发冷冻”的工艺过程，可以使得两个合成塔进口氨含量均降低至2.6mol％左右，进一步提高了氨合成效率，且使得冷冻功耗降低。

18、进一步地，氨合成塔a入口原料气的流量为600～650knm3/h，压力为14～15mpag，温度为175～185℃；氨合成塔a出口反应气a的温度为420～430℃；氨合成塔b入口原料气的的流量为600～650knm3/h，压力为13～14mpag，温度为165～175℃％；氨合成塔b出口反应气b的温度为410～420℃。

19、通过采用上述技术方案，可以进一步降低循环比，提高氨净值，提高氨合成的反应效率。

20、进一步地，补入到一级氨合成反应中的循环气和新鲜原料气的总流量为190～200knm3/h，压力为13～14mpag，温度为105～115℃；补入到二级氨合成反应中的循环气和新鲜原料气的总流量为190～200knm3/h，压力为13～14mpag，温度为105～115℃；新鲜原料气的总流量为370～380knm3/h。

21、通过采用上述技术方案，可以进一步降低循环比，提高氨净值，提高氨合成的反应效率。

22、进一步地，进入分离器a的原料气a温度为-5～-15℃，进入分离器b的原料气b温度为-5～-15℃；从组合式冷却冷凝器出来、与反应气a交换热量后的气体的温度为30～40℃；从组合式冷却冷凝器出来、与反应气b交换热量后的气体的温度为30～40℃。

23、通过采用上述技术方案，可以进一步降低氨合成塔入口温度，入口氨含量，降低冷冻功耗，提高氨合成效率。

24、本发明的有益效果：

25、1、本发明采用两个氨合成塔，一套循环机，两个氨合成塔后分别串有“热回收”和“冷冻、冷凝”和“冷回收”，实现循环气“串联”、“补充气”进行“并联”和按需调节补给的工艺流程，较大地提高了两个氨合成塔催化剂效率(特别是第二级合成塔的催化剂效率)；本技术一级合成塔和二级合成塔入口的氨含量均可到达2.6vmol％左右，一级合成塔的氨净值可达到17.11％，二级合成塔的氨净值可达到17.45％，一级合成塔循环比和第二级合成塔的循环比分别可达到1.6481和1.6868；两个合成塔的氨合成效率均较高。

26、2、本技术将补入的新鲜气分成两路分别补入两个合成塔，这样实现了补气的“并联”工艺流程。同时，两股进入合成塔的补气流量可以按照不同的要求进入调节，达到两个氨合成塔负荷和反应效率相对平衡；且“补充气”进入第一合成塔时补在循环机入口的流程方式，可以极大程度地减少压缩功耗。