Способ получения аммиака из полученной из природного газа смеси азота и водорода

Изобретение относится к способу получения аммиака из азота и водорода и может быть использовано в химической промышленности. Аммиак 3 получают из состоящей по существу из азота и водорода газовой смеси 4, полученной из природного газа 5 следующим образом. Из природного газа 5 путем частичного окисления газом 6, обогащенным кислородом, в присутствии водяного пара получают содержащий водород и моноксид углерода неочищенный синтез-газ 7, из которого во время по меньшей мере одной стадии каталитической реакции (сдвига) и превращения части моноксида углерода в диоксид углерода получают конвертированный содержащий водород, диоксид углерода и моноксид углерода синтез-газ 8. Из полученного синтез-газа 8 на по меньшей мере одной стадии декарбонизации по меньшей мере частично удаляют диоксид углерода 20а, а на по меньшей мере одной стадии очистки по меньшей мере частично удаляют моноксид углерода 22а. По меньшей мере на одной стадии очистки конвертированного синтез-газа используют по меньшей мере одно молекулярное сито. Обогащенный кислородом газ содержит по меньшей мере 50% кислорода, а давление, при котором осуществляется частичное окисление, составляет от 40 до 150 бар. Способ позволяет повысить эффективность, снизив при этом расход энергии и эксплуатационные затраты за счет снижения количества исходного углеводородного сырья. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения аммиака из азота и водорода. Изобретение относится, в частности, к способу получения аммиака из состоящей по существу из азота и водорода смеси, получаемой из природного газа, из которого путем его частичного окисления газом, обогащенным кислородом, в присутствии водяного пара получают содержащий водород и моноксид углерода неочищенный синтез-газ, из которого во время по меньшей мере одной стадии каталитической реакции (сдвига) превращения части моноксида углерода в диоксид углерода получают конвертированный содержащий водород, диоксид углерода и моноксид углерода синтез-газ, из которого по меньшей мере на одной стадии декарбонизации частично удаляют диоксид углерода, а по меньшей мере на одной стадии очистки по меньшей мере частично удаляют моноксид углерода. Настоящее изобретение относится также к установке для получения аммиака предлагаемым в изобретении способом.

Уровень техники

Известно, что при промышленном (в частности, в количестве около 3000 т в сутки) получении аммиака из природного газа постоянно ощущается потребность в разработке высокоэффективного способа получения аммиака с высоким выходом, не требующего повышения расхода энергии и увеличения эксплуатационных затрат. В настоящее время этому требованию отвечают известные способы, в которых последовательно выполняют следующие стадии:

- получение неочищенного синтез-газа путем частичного окисления природного газа,

- получение путем реакции сдвига из неочищенного синтез-газа конвертированного синтез-газа,

- удаление из конвертированного синтез-газа содержащегося в нем диоксида углерода путем его декарбонизации с помощью физического растворителя, способного абсорбировать диоксид углерода,

- удаление из конвертированного синтез-газа содержащегося в нем моноксида углерода путем его промывки жидким азотом, и

- синтез аммиака из смеси, состоящей по существу из водорода и азота, которые были получены при выполнении предыдущих стадий.

Декарбонизация и очистка конвертированного синтез-газа предназначены для удаления из него диоксида углерода и моноксида углерода и снижения их концентрации до нескольких объемных частей на миллион (например, для снижения концентрации моноксида углерода до 10 об.част./млн).

При всех преимуществах описанный способ получения аммиака обладает и определенными недостатками. К этим недостаткам, в частности, относится очень низкая температура промывки конвертированного синтез-газа жидким азотом и связанная с этим необходимость в использовании достаточно дорогих и требующих особого внимания специальных материалов и соответствующей теплоизоляции.

Краткое изложение сущности изобретения

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ получения аммиака из состоящей по существу из азота и водорода и полученной из природного газа смеси, который (способ) простым и эффективным путем удовлетворял бы указанным выше требованиям и одновременно позволял бы устранить ограничения и/или недостатки, присущие известным способам получения аммиака.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью предлагаемого в нем способа получения аммиака из состоящей по существу из азота и водорода и полученной из природного газа смеси упомянутого выше типа, отличающегося тем, что по меньшей мере на одной стадии очистки конвертированного синтез-газа используют по меньшей мере одно молекулярное сито.

Другие отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении способа получения аммиака более подробно рассмотрены ниже на примере предпочтительного, но не ограничивающего объем изобретения варианта его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию чертеж.

Краткое описание чертежа

На прилагаемом к описанию чертеже показана схема установки для получения аммиака предлагаемым в изобретении способом.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На прилагаемом к описанию чертеже показана схема обозначенной общей позицией 10 установки для получения аммиака предлагаемым в изобретении способом. Аммиак 3 получают из состоящей по существу из азота и водорода газовой смеси 4, которую в свою очередь получают из природного газа 5.

Установка 10 состоит из первой части 12, предназначенной для получения состоящей по существу из азота и водорода газовой смеси, и второй части 14, предназначенной для синтеза аммиака 3.

Первая часть 12 установки 10 состоит из секции 16 частичного окисления, секции 18, состоящей по меньшей мере из одного так называемого конвертора, в котором в результате каталитической реакции сдвига моноксид углерода превращается в диоксид углерода, секции 20 декарбонизации и секции 22 очистки.

Отличительной особенностью предлагаемой в изобретении установки для получения аммиака является, в частности, использование в секции 22 очистки по меньшей мере одного молекулярного сита.

Под "молекулярными ситами" согласно настоящему изобретению подразумеваются любые обычные микропористые материалы, которые способны избирательно адсорбировать определенный газ, содержащийся в газовой смеси, и к которым помимо прочего относится активированный уголь. В зависимости от характера адсорбции и высвобождения определенного газа подобными материалами их подразделяют на молекулярные сита или активированный уголь PSA-типа (от англ. "pressure swing absorption", адсорбция при переменном давлении) и TSA-типа (от англ. "temperature swing absorption", адсорбция при переменной температуре).

При PSA-адсорбции газовую смесь, содержащую определенный адсорбируемый газ, пропускают под давлением через молекулярное сито, в микропорах которого избирательно адсорбируется этот определенный газ. При последующем снижении давления происходит десорбция такого определенного газа вместе с другими возможно задержанными молекулярным ситом газообразными компонентами и тем самым регенерация молекулярного сита.

При TSA-адсорбции газовую смесь при определенной температуре, например, не превышающей 80°C, пропускают через молекулярное сито, в микропорах которого избирательно адсорбируется определенный, содержащийся в смеси газ. При последующем повышении температуры, например, с помощью водяного пара, происходит десорбция этого определенного газа вместе с другими возможно задержанными молекулярным ситом газообразными компонентами и тем самым регенерация молекулярного сита.

При получении аммиака предлагаемым в изобретении способом для очистки газа предпочтительно использовать молекулярные сита PSA-типа.

В другом варианте секция 22 очистки может быть соединена с секцией 24 получения метана, состоящей по меньшей мере из одного так называемого метанатора.

Предлагаемая в изобретении установка 10 для получения аммиака работает следующим образом.

Природный газ 5, обычно вместе с водяным паром, подают в секцию 16 частичного окисления в первой части 12 установки 10, где в результате частичного окисления природного газа обогащенным кислородом газом 6 получают содержащий водород и моноксид углерода неочищенный синтез-газ 7.

Для частичного окисления природного газа в секции 16 можно использовать, например, печь для автотермического реформинга газа при температуре от 900 до 1300°C, предпочтительно от 900 до 1200°C, и давлении от 40 до 150 бар, предпочтительно от 40 до 100 бар, и обогащенный кислородом газ 6, содержащий минимум 50%, предпочтительно минимум 70%, более предпочтительно минимум 90% кислорода. В качестве обогащенного кислородом газа можно использовать, например, обогащенный кислородом воздух.

Неочищенный синтез-газ 7 подают в конвертор, в котором в результате каталитической реакции сдвига, в процессе которой часть содержащегося в нем моноксида углерода превращается в диоксид углерода, получают конвертированный синтез-газ 8, содержащий водород, диоксид углерода и моноксид углерода.

Конвертированный синтез-газ 8 подают в секцию 20, в которой в результате по меньшей мере однократной декарбонизации из него по меньшей мере частично удаляют диоксид углерода 20а, а затем в секцию 22, в которой в результате по меньшей мере однократной очистки из него удаляют моноксид углерода 22а, снижая его объемную концентрацию в газе, подаваемом во вторую секцию 14 установки 10, до уровня, совместимого с находящимся в этой секции катализатором синтеза аммиака и обычно не превышающего 10 об.част./млн.

В секции 22 очистки для удаления моноксида углерода из конвертированного синтез-газа в изобретении предлагается использовать по меньшей мере одно молекулярное сито.

В другом варианте предлагается соединить секцию 22 очистки с секцией 24 получения метана, наличие которой позволяет за счет превращения моноксида углерода в метан соответственно уменьшить размеры самой секции 22 очистки.

К очищенному от моноксида углерода конвертированному синтез-газу добавляют азот 9 с получением газовой смеси 4, состоящей по существу из азота и водорода с оптимальным стехиометрическим отношением, соответствующим типу катализатора, который используется во второй части 14 установки 10 для синтеза аммиака 3.

Необходимо отметить, что при промышленном получении аммиака для частичного окисления природного газа в секции 16 можно использовать не только печи для автотермического реформинга газа с соответствующим катализатором, но и более простое по конструкции, но потребляющее больше кислорода и соответственно требующее большего расхода энергии оборудование не каталитического действия. Очевидно, что при низкой стоимости энергии для частичного окисления природного газа более предпочтительно использовать оборудование не каталитического действия.

Из приведенного выше описания следует, что предлагаемый в изобретении способ получения аммиака решает указанную выше проблему и обладает по сравнению с известными способами целым рядом преимуществ, главное из которых связано с отсутствием необходимости в применении любых специальных материалов, используемых для промывки конвертированного синтез-газа жидким азотом при получении аммиака известными способами.

Другим преимуществом изобретения является возможность получения после очистки газа, который представляет собой практически чистый водород, который можно использовать не только для синтеза аммиака, но и для любых других целей.

Очевидно, что на основе приведенного выше подробного описания изобретения в предлагаемый в изобретении способ получения аммиака можно с учетом конкретных требований и обстоятельств вносить различные изменения и модификации, которые в любом случае не выходят за объем изобретения, определяемый его формулой.

1. Способ получения аммиака (3) из состоящей, по существу, из азота и водорода газовой смеси (4), получаемой из природного газа (5), из которого путем его частичного окисления газом (6), обогащенным кислородом, в присутствии водяного пара получают содержащий водород и моноксид углерода неочищенный синтез-газ (7), из которого во время по меньшей мере одной стадии каталитической реакции (сдвига) и превращения части моноксида углерода в диоксид углерода получают конвертированный содержащий водород, диоксид углерода и моноксид углерода синтез-газ (8), из которого по меньшей мере на одной стадии декарбонизации по меньшей мере частично удаляют диоксид углерода (20а), а по меньшей мере на одной стадии очистки по меньшей мере частично удаляют монооксид углерода (22а), в котором по меньшей мере на одной стадии очистки конвертированного синтез-газа используют по меньшей мере одно молекулярное сито, отличающийся тем, что обогащенный кислородом газ содержит по меньшей мере 50% кислорода, а давление, при котором осуществляется частичное окисление, составляет от 40 до 150 бар.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к очищенному конвертированному синтез-газу добавляют азот (9) с получением состоящей, по существу, из азота и водорода газовой смеси (4), которую подают в секцию (14) синтеза аммиака (3).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере одного молекулярного сита используют молекулярное сито PSA-типа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что секцию очистки конвертированного газа соединяют с секцией (24) для получения метана.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакция частичного окисления природного газа представляет собой реакцию каталитического типа (автотермический реформинг).