Способ каталитического получения аммиака

Способ каталитического получения аммиака включает стадии пропускания потока синтез-газа, содержащего азот и водород, через три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, которые содержат катализатор на основе железа с магнетитом как главной составной частью, который восстанавливают в течение процесса до каталитически активной формы альфа-железа. Указанный поток синтез-газа получают объединением потока, который подают непосредственно в первый слой катализатора, с другим потоком, который предварительно подогревают непрямым теплообменом с продуктами, покидающими первый и второй слои катализатора, и выделяют конечный продукт. Способ характеризуется тем, что перерабатываемый газ пропускают через средний слой катализатора при объемной скорости от 0,65 до 2,00 от объемной скорости, с которой перерабатываемый газ пропускают через верхний слой катализатора, при этом объемное отношение между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора предпочтительно составляет между 0,5 и 1,5. Технический результат состоит в увеличении выхода продукта. 1 з.п. ф-лы. 1 табл., 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к технологии производства аммиака, особенно к способу каталитического получения аммиака из синтез-газа, содержащего водород и азот.

Известен способ каталитического получения аммиака, включающий стадии подачи исходного потока синтез-газа, содержащего водород и азот, в форме трех потоков в реактор, содержащий три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, подогрева первого потока непрямым теплообменом с потоком продукта, покидающим последний слой катализатора, сопровождаемого последующим введением во второй поток, подачи объединенного потока, полученного таким образом, в первый слой катализатора с последующим пропусканием указанного потока через все три слоя катализатора, подогрева третьего потока непрямым теплообменом с потоком продукта, покидающим первый и второй слои катализатора, с последующим добавлением к объединенному потоку, который вводят в первый слой катализатора, и выделения конечного продукта, причем слои катализатора содержат катализатор на основе железа с магнетитом как главной составной частью, который восстанавливают в течение процесса до каталитически активной формы альфа-железа (смотри европейскую заявку на патент ЕР А 000611, кл. С 01 С 1/4, 29.12.1999).

Реактор для проведения известного способа включает три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, линии для подачи исходного синтез-газа, содержащего водород и азот, три теплообменника, один из которых расположен между выходом из верхнего слоя катализатора и входом в средний слой катализатора, другой расположен между выходом из среднего слоя катализатора и входом в нижний слой катализатора, а третий теплообменник расположен на линии для удаления конечного продукта, присоединенной к выходу из нижнего слоя катализатора, причем первая линия для подачи исходного синтез-газа присоединена непосредственно к входу в верхний слой катализатора, вторая линия для подачи исходного синтез-газа присоединена к первой линии через третий теплообменник, а третья линия для подачи исходного синтез-газа проходит через второй и первый теплообменники и затем присоединена к первой линии для подачи исходного синтез-газа.

Цель изобретения состоит в том, чтобы увеличить экономию производства аммиака упрощением технологии и увеличением выхода продукта.

Эту цель достигают способом и реактором согласно изобретению, далее описанными здесь подробно.

Способ согласно изобретению включает стадии пропускания потока синтез-газа, содержащего азот и водород, через три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, которые содержат катализатор на основе железа с магнетитом как главной составной частью, восстанавливаемым в течение процесса до каталитически активной формы альфа-железа, причем указанный поток синтез-газа получают объединением потока, который подают непосредственно в первый слой катализатора, с другим потоком, который предварительно подогревают непрямым теплообменом с продуктами, покидающими первый и второй слои катализатора, и выделения конечного продукта, причем процесс характеризуется тем, что перерабатываемый газ пропускают через средний слой катализатора с объемной скоростью, составляющей от 0,65 до 2,00 от объемной скорости, с которой перерабатываемый газ проходит через верхний слой катализатора.

Согласно предпочтительной особенности реакцию проводят при объемном отношении между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора между 0,5 и 1,5.

Реактор согласно настоящему изобретению содержит три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, первый теплообменник, расположенный между выходом из верхнего слоя катализатора и входом в средний слой катализатора, второй теплообменник, расположенный между выходом из среднего слоя катализатора и входом в нижний слой катализатора, первую линию для подачи исходного синтез-газа, содержащего водород и азот, присоединенную непосредственно к входу в верхний слой катализатора, вторую линию для подачи исходного синтез-газа и последующего пропускания его через первый и второй теплообменники, которая присоединена к первой линии, и линию для удаления конечного продукта, присоединенную к выходу из нижнего слоя катализатора, причем реактор характеризуется тем, что линия для удаления конечного продукта присоединена непосредственно к выходу из нижнего слоя катализатора.

Согласно предпочтительной особенности изобретения объемное отношение между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора составляет между 0,5 и 1,5.

Изобретение далее иллюстрируется чертежом, представляющим упрощенную схему потока предложенного способа, проводимого в реакторе согласно изобретению.

Реактор 1 содержит три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, то есть верхний слой катализатора 2, средний слой катализатора 3 и нижний слой катализатора 4. Каждый слой катализатора содержит катализатор на основе железа с магнетитом как главной составной частью, который восстанавливают в течение процесса до каталитически активной формы альфа-железа. Объемное отношение между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора составляет между 0,5 и 1,5.

Кроме того, реактор 1 содержит линии 5, 6, 7 для подачи исходного синтез-газа, содержащего водород и азот, линии 6 и 7 присоединены к линии 8, присоединенной к входу в слой катализатора 2, а линия 9 для удаления конечного продукта присоединена к выходу из слоя катализатора 4. Слои катализатора 2-4 взаимосвязаны линиями 10 и 11. В линии 10 размещается первый теплообменник 12, а линия 11 снабжена вторым теплообменником 13.

При эксплуатации изобретения исходный синтез-газ для синтеза аммиака вводят через линии 5, 6 и 7 в реактор синтеза аммиака 1. Свежий синтез-газ пропускают через линии 6 и 8 в слой 2 и частично превращают в слое 2. Частично превращенный синтез-газ затем пропускают в линию 10 последовательно через слои 3 и 4. При пропускании через эти слои азот и водород в потоке реагируют экзотермически, превращаясь в аммиак. Выходящий поток продукта, обогащенного аммиаком, отводят через линию 9 из реактора 1.

Как указано здесь ранее, реакция между водородом и азотом протекает экзотермически в слоях катализатора, и температура перерабатываемого потока повышается. Вследствие термодинамических причин температура перерабатываемого потока в линии 10 должна быть понижена перед тем, как его вводят в слои 3 и 4. Поэтому поток охлаждают в теплообменниках 12 и 13 непрямым теплообменом с исходным синтез-газом, пропускаемым в линии 7 через теплообменники 13 и 12.

При прохождении через теплообменники 13 и 12 исходный синтез-газ в линии 7 подогревают непрямым теплообменом, как описано выше. Поток подогретого сырья затем объединяют с потоком свежего синтез-газа, подаваемого через линию 6, и объединенный поток подают через линию 8 в верхний слой катализатора 2. Температуру объединенного потока регулируют добавлением холодного потока через линию 6.

В вышеуказанном реакторе температура реакции в первом 2 и втором 3 слоях катализатора определяется отношением потоков между потоками в линиях 6 и 7. Температура свежего синтез-газа в линии 2 контролирует температуру на входе в нижний слой катализатора 4.

Согласно изобретению перерабатываемый газ пропускают через средний слой катализатора с объемной скоростью, составляющей от 0,65 до 2,00 от объемной скорости, с которой перерабатываемый газ пропускают через верхний слой катализатора. Кроме того, объемное отношение между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора поддерживают между 0,5 и 1,5.

Изобретение далее иллюстрируется следующим примером.

Пример

Реактор, который показан на чертеже и подробно объяснен в описании выше, с фиксированным размером кожуха, выдерживающего давление, эксплуатировали при четырех различных объемных отношениях между верхним и средним слоями катализатора в реакторе. В экспериментах объемное отношение верхнего и среднего слоев катализатора было между 0,5 и 3,0. Объемную скорость соответствующего перерабатываемого газа регулировали в соответствии с этим. Для каждого объемного отношения проводили первый эксперимент, посредством которого устанавливали температуру на входе в средний слоя катализатора ("слой 2" в следующей таблице, где "слой 1" представляет собой верхний слой катализатора) так, чтобы получить максимальный выход продукта. Затем при рабочей температуре выше и ниже оптимальной определяли выход продукта для каждого объемного отношения. Вышеуказанные условия и результаты, полученные таким образом, приведены в таблице ниже.

Чтобы сравнивать воздействие отклонения температуры на выход продукта при каждом объемном отношении с выходом продукта при оптимальной температуре, выход при оптимальной температуре принимают за 100%.

Таблица
Отклонение от оптим. температуры на входе	-20	-16	-11	0	11	16	20
Скор. пр-ва., т/д.
Слой 2/слой 1=0,50	1539,3	1541,9	1544,4	1547,0	1544,3	1541,2	1538,0
Слой 1/слой 2=0,80	1543,4	1547,0	1550,6	1554,2	1550,6	1546,7	1542,7
Слой 2/слой 1=1,00	1543,4	1547,9	1552,6	1557,0	1552,7	1548,0	1543,4
Слой 2/слой 1=1,50	1538,4	1544,6	1550,9	1557,1	1551,4	1545,9	1541,2
Слой 2/слой 1=2,00	1524,0	1534,5	1543,9	1553,0	1547,4	1541,8	1533,6
Слой 2/слой 1=3,00	1498,6	1510,6	1522,7	1543,0	1525,2	1517,0	1509,4
Скор. пр-ва., т/д.
Слой 2/слой 1=0,50	98,9	99,0	99,2	99,4	99,2	99,0	98,8
Слой 1/слой 2=0,80	99,1	99,4	99,6	99,8	99,6	99,3	99,1
Слой 2/слой 1=1,00	99,1	99,4	99,7	100,0	99,7	99,4	99,1
Слой 2/слой 1=1,50	98,8	99,2	99,6	100,0	99,6	99,3	99,0
Слой 2/слой 1=2,00	97,9	98,6	99,2	99,7	99,4	99,0	98,5
Слой 2/слой 1=3,00	98,2	97,0	97,8	98,5	98,0	97,4	96,9

Как видно из вышеприведенных результатов, уменьшение выхода продукта при отклонении от оптимальной рабочей температуры в среднем слое катализатора менее существенно в реакторе или процессе, имеющих распределение объема катализатора в среднем и верхнем слоях между 0,5 и 1,5 согласно изобретению, по сравнению с результатами, полученными при использовании реактора и процесса, работающими с соответствующим объемным отношением катализатора между 2,0 и 3,0, которое известно специалистам и обычно используется в аммиачной промышленности. В качестве следующего преимущества выход продукта увеличивается, когда размеры верхнего и среднего слоев катализатора согласно изобретению имеют вышеуказанное объемное отношение между 0,5 и 1,5. При объемном отношении между 1,0 и 1,5 выход продукта в тоннах в день при оптимальных температурных условиях приблизительно на 2% выше по сравнению с оптимальным выходом, получаемым при обычно используемом объемном отношении катализатора 3,0.

1. Способ каталитического получения аммиака, включающий стадии пропускания потока синтез-газа, содержащего азот и водород, через три слоя катализатора, расположенных один поверх другого, которые содержат катализатор на основе железа с магнетитом как главной составной частью, который восстанавливают в течение процесса до каталитически активной формы альфа-железа, получения указанного потока синтез-газа объединением потока, который подают непосредственно в первый слой катализатора, с другим потоком, который предварительно подогревают непрямым теплообменом с продуктами, покидающими первый и второй слои катализатора, и выделения конечного продукта, отличающийся тем, что перерабатываемый газ пропускают через средний слой катализатора при объемной скорости от 0,65 до 2,00 объемной скорости, с которой перерабатываемый газ пропускают через верхний слой катализатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию проводят при объемном отношении между средним слоем катализатора и верхним слоем катализатора между 0,5 и 1,5.