范例：以天然氣為原料制備氨的方法定稿

1、 說(shuō) 明 書(shū) 摘 要 案件編號(hào)本發(fā)明提出一種以天然氣為原料制備氨的方法，其工藝過(guò)程包括一段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、二氧化碳脫除、甲烷化、氨合成和馳放氣的膜分離等步驟。上述過(guò)程中，一段轉(zhuǎn)化采用溫和的反應(yīng)條件，轉(zhuǎn)化出口的溫度為740-780；二段轉(zhuǎn)化步驟得到的產(chǎn)物中殘余甲烷的摩爾含量為1.6-3.0%；經(jīng)過(guò)甲烷化步驟得到的產(chǎn)物中h2：n2摩爾比為2.6-2.8，通過(guò)增減合成系統(tǒng)馳放氣量來(lái)調(diào)節(jié)膜分離單元的返氫量，從而控制氨合成步驟進(jìn)料中h2：n2摩爾比為2.9-3.0。本發(fā)明較大程度地降低天然氣一段轉(zhuǎn)化單元的負(fù)荷，從而顯著降低了合成氨裝置的設(shè)備投資。 摘 要 附 圖 案件編號(hào) 權(quán) 利 要 求

2、書(shū) 案件編號(hào)1、一種以天然氣為原料制備氨的方法，其過(guò)程包括一段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、二氧化碳脫除、甲烷化、氨合成和馳放氣的膜分離，其特征在于：所述的一段轉(zhuǎn)化出口的溫度為740-780。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：所述的一段轉(zhuǎn)化步驟中天然氣的轉(zhuǎn)化率為48-55%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：二段轉(zhuǎn)化的溫度為880-920。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：所述的二段轉(zhuǎn)化步驟得到的產(chǎn)物中殘余甲烷的摩爾含量為1.6-3.0%。 5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：

3、經(jīng)過(guò)甲烷化步驟得到的產(chǎn)物中h2：n2摩爾比為2.6-2.8。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：氨合成步驟中合成塔后產(chǎn)物進(jìn)行冷卻、冷凝分離出液氨后，部分作為馳放氣進(jìn)行膜分離步驟得到滲透氣和非滲透氣，其中，富含氫的滲透氣和甲烷化步驟得到的產(chǎn)物混合后作為氨合成步驟的進(jìn)料；非滲透氣含有氮?dú)?、ch4和ar送出作為燃料。7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：通過(guò)調(diào)節(jié)馳放氣的量控制氨合成步驟進(jìn)料中h2：n2摩爾比為2.9-3.0。8、根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的以天然氣為原料制備氨的方法，其特征在于：氨合成步驟合成塔的進(jìn)料中惰性氣體（ch4+ar）摩

4、爾含量為18-25%。 說(shuō) 明 書(shū) 案件編號(hào)以天然氣為原料制備氨的方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種氮肥技術(shù)領(lǐng)域的合成氨技術(shù)，特別是涉及一種降低一段蒸汽轉(zhuǎn)化負(fù)荷的以天然氣為原料制備氨的方法。背景技術(shù)現(xiàn)有的以天然氣為原料的合成氨技術(shù)主要包括天然氣轉(zhuǎn)化制備富氫合成氣的過(guò)程、合成氣進(jìn)行一氧化碳變換過(guò)程、二氧化碳脫除過(guò)程、甲烷化過(guò)程以及氨合成過(guò)程。合成氨工藝主要有kellogg合成氨工藝、braun合成氨工藝和uhde amv合成氨工藝。以kellogg工藝為代表的傳統(tǒng)合成氨工藝，其特征為轉(zhuǎn)化氣成分滿(mǎn)足(h2+co):n2接近氨合成的化學(xué)計(jì)量比3:1，同時(shí)為減少合成圈馳放氣量，控制轉(zhuǎn)化氣中惰性氣體ch4的含量

5、小于0.6%（干）。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)必須滿(mǎn)足水碳比3.0、一段轉(zhuǎn)化出口溫度800、二段轉(zhuǎn)化出口溫度約1000。隨后針對(duì)上述工藝進(jìn)行的技改方案中，增加了膜分離裝置回收合成馳放氣中氫氣的節(jié)能措施。上述工藝有如下不足：a)一段轉(zhuǎn)化出口溫度高（800），對(duì)轉(zhuǎn)化爐管等材料應(yīng)力要求高，限制了較高轉(zhuǎn)化壓力、較大轉(zhuǎn)化爐管的應(yīng)用。b)一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷高。由于一段轉(zhuǎn)化能效低于二段絕熱轉(zhuǎn)化，因而轉(zhuǎn)化綜合能效較低。c)一段蒸汽轉(zhuǎn)化投資遠(yuǎn)高于絕熱的二段轉(zhuǎn)化，且與其負(fù)荷成正比。上述工藝由于一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷重，因而轉(zhuǎn)化總投資高，從而將整體的合成氨系統(tǒng)投資提高。因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員為降低合成氨系統(tǒng)的總體投資，希望能夠有一種工

6、藝在保證整體蒸汽轉(zhuǎn)化效率的前提下，將一段爐的負(fù)荷部分轉(zhuǎn)移到二段爐，從而降低一段爐設(shè)備的投資。為此，產(chǎn)生了braun合成氨工藝，其特征是打破了轉(zhuǎn)化氣中(h2+co):n2接近氨合成的化學(xué)計(jì)量比3:1的法則，最大限度將轉(zhuǎn)化負(fù)荷從一段爐轉(zhuǎn)移到二段爐。降低轉(zhuǎn)化投資，提高轉(zhuǎn)化能效。其一段爐轉(zhuǎn)化出口溫度為680-720，二段加入過(guò)量50%以上空氣以滿(mǎn)足后續(xù)深冷凈化的冷量需要，合成氣進(jìn)入合成圈前設(shè)置冷箱除去過(guò)量氮及部分惰性氣體。但是該braun工藝有如下不足：a)工藝空氣加入量過(guò)大，空壓功耗大。綜合高能效需要配置高能效燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)才能體現(xiàn)。b)增設(shè)冷箱投資較大。c）上述工藝在操作中必須嚴(yán)格控制操作條件

7、以便使一段爐的負(fù)荷控制在合適的范圍內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)中工藝條件的波動(dòng)很敏感，造成穩(wěn)定運(yùn)行的難度增大，且運(yùn)行成本提高。另外，還提出了uhde amv合成氨工藝，其特征是提高轉(zhuǎn)化壓力40bar，稍稍轉(zhuǎn)移一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷到二段。一段出口溫度約為800，二段出口甲烷殘留0.9%（干），轉(zhuǎn)化氣中(h2+co):n2約2.6。設(shè)置冷箱回收合成馳放氣中氫氣返回系統(tǒng)。上述工藝有如下不足：a)一段轉(zhuǎn)化出口溫度稍高（約為800）。由于一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷重，因而轉(zhuǎn)化總投資高。b)工藝空氣加入量稍大，空壓功耗大，從而也導(dǎo)致了整體運(yùn)行成本的增加。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的二段法合成氨工藝，在一段爐負(fù)荷的處理上，或者是一段爐負(fù)荷大導(dǎo)致整體投資大

8、，或者將一段爐負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段爐，但需要增加其他的設(shè)備，也依然存在設(shè)備投資大的缺陷。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的合成氨方法存在的缺陷，而提供一種新的合成氨方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是選擇一段轉(zhuǎn)化出口溫度在合適的范圍內(nèi)，降低天然氣一段轉(zhuǎn)化的負(fù)荷，從而降低了整體合成氨系統(tǒng)的設(shè)備投資。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種以天然氣為原料制備氨的方法，其過(guò)程包括一段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、二氧化碳脫除、甲烷化、氨合成和馳放氣的膜分離等步驟。其中所述的一段轉(zhuǎn)化的溫度為740-780，一段轉(zhuǎn)化步驟中天然氣的轉(zhuǎn)化率為48-55%，所述二段轉(zhuǎn)化的溫度為880

9、-920，二段轉(zhuǎn)化步驟得到的產(chǎn)物中甲烷的摩爾含量為1.6-3.0%；經(jīng)過(guò)甲烷化步驟得到的產(chǎn)物中h2：n2摩爾比為2.6-2.8；氨合成步驟中合成塔后產(chǎn)物進(jìn)行冷卻、冷凝分離出液氨后，部分作為馳放氣進(jìn)入膜分離步驟得到滲透氣和非滲透氣。其中，富含氫的滲透氣返回系統(tǒng)，和甲烷化步驟得到的產(chǎn)物混合后作為氨合成步驟的進(jìn)料；氮?dú)?、ch4和ar等進(jìn)入非滲透氣送出作為燃料，從而從系統(tǒng)脫除。通過(guò)調(diào)節(jié)所述馳放氣的量來(lái)控制氨合成步驟進(jìn)料中h2：n2摩爾比為2.9-3.0。氨合成步驟合成塔的進(jìn)料中惰性氣體（ch4+ar）的總摩爾含量為18-25%。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明的方法相對(duì)于kellogg工藝為代表的傳統(tǒng)合成氨工

10、藝，具有如下優(yōu)點(diǎn)：a)降低了一段轉(zhuǎn)化出口溫度，相應(yīng)降低對(duì)轉(zhuǎn)化爐管等材料應(yīng)力要求，因而允許采用較高轉(zhuǎn)化壓力、較大轉(zhuǎn)化爐管。b)降低了一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷，由于一段轉(zhuǎn)化能效低于二段絕熱轉(zhuǎn)化，因而轉(zhuǎn)化綜合能效較高。c)一段蒸汽轉(zhuǎn)化投資遠(yuǎn)高于絕熱的二段轉(zhuǎn)化，且與其負(fù)荷成正比。由于一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷低，因而轉(zhuǎn)化總投資低。本發(fā)明的方法相對(duì)于以braun工藝為代表的合成氨工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：a)工藝空氣加入量小，空壓功耗小。b)無(wú)需增設(shè)冷箱，僅設(shè)置膜分離，投資較小。本發(fā)明的方法相對(duì)于以u(píng)hde amv工藝為代表的合成氨工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：a)一段轉(zhuǎn)化出口溫度稍低，一段轉(zhuǎn)化負(fù)荷低，因而轉(zhuǎn)化總投資低。b)無(wú)需增設(shè)冷箱，僅設(shè)置膜分

11、離，投資較小。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的合成氨方法的基本流程圖。具體實(shí)施方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的合成氨方法其具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。請(qǐng)參閱圖1所示，是本發(fā)明的合成氨方法的基本流程圖。本發(fā)明所述的以天然氣為原料的合成氨方法主要包括以下步驟：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、co變換、co2脫除、甲烷化、氨合成以及馳放氣的膜分離步驟，其中的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化步驟包括一段轉(zhuǎn)化和二段轉(zhuǎn)化兩個(gè)過(guò)程。以下詳細(xì)描述上述各個(gè)步驟的具體內(nèi)容。一段轉(zhuǎn)化所述的一段轉(zhuǎn)化是將脫硫后的天然氣與水蒸氣組成的原料輸入蒸汽轉(zhuǎn)化一段爐，在催化劑存

12、在的條件下進(jìn)行反應(yīng)，使原料中的部分天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣，出口氣體溫度為740-780，甲烷含量（摩爾百分?jǐn)?shù)）約22%（干）。在本過(guò)程中，天然氣的轉(zhuǎn)化率控制在48-55%范圍內(nèi)。該過(guò)程的主要反應(yīng)式如下：ch4+h2oco3h2coh2oco2h2o二段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化使將一段轉(zhuǎn)化的出口氣體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣的步驟，將一段轉(zhuǎn)化的出口其與壓縮空氣混合后進(jìn)入二段爐進(jìn)行絕熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度范圍為880-920，從二段爐出口氣體中甲烷殘留摩爾百分比為1.6-3.0%（干）。該過(guò)程的主要反應(yīng)式如下：h2o2h2och4h2ocoh2coh2oco2h2co變換co變換步驟是將二段爐出口氣體換熱后進(jìn)入co變換裝置以便將其

13、中的co轉(zhuǎn)變?yōu)閏o2。co變換反應(yīng)式如下：co+h2oco2h2。co2脫除來(lái)自co變換步驟的變換氣進(jìn)入co2脫除裝置，采用mdea（甲基二乙醇胺）溶液吸收變換氣中的co2。甲烷化經(jīng)過(guò)co2脫除步驟的工藝氣體進(jìn)入到甲烷化裝置中，在高鎳催化劑催化下，工藝氣體中的碳氧化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷，經(jīng)過(guò)甲烷化的物料中的h2：n2（摩爾比）為2.6-2.8。甲烷化反應(yīng)式為：co+3h2ch4h2oco2+4h2ch4+2h2o氨合成經(jīng)過(guò)甲烷化的工藝氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮并被加熱后進(jìn)入合成塔，在其中進(jìn)行氨合成反應(yīng)。反應(yīng)式為：n2+3h2 2nh3合成塔出料經(jīng)過(guò)換熱和冷凝，其中的氨從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)氨分離器分離液氨后

14、，氣態(tài)組分中的一部分直接送到上述的壓縮機(jī)中，另一部分送入到膜分離器。經(jīng)過(guò)膜分離的滲透氣主要為氫氣，被送入上述的壓縮機(jī)，非滲透氣（包括氫氣、氮?dú)狻⒓淄楹蜌鍤猓┙?jīng)燃料氣管網(wǎng)送入一段爐。由于膜分離得到的滲透氣的主要成分為氫氣，所以，通過(guò)控制膜分離的處理量則可以控制進(jìn)入合成塔的工藝氣中的h2：n2摩爾比為2.9-3.0。按照上述的合成氨方法提供實(shí)例1-5，具體數(shù)據(jù)如下表1表1 實(shí)例1-5工藝數(shù)據(jù)表實(shí)例1實(shí)例2實(shí)例3實(shí)例4實(shí)例5原料天然氣流量 kmol/hr21052105210521052105一段爐出口氣一段爐出口溫度 740750760770780總流量kmol/hr（干）516152965434

15、55345717h2 流量 kmol/hr30143150328834283571ch4 流量 kmol/hr12411198115411091063ch4一段轉(zhuǎn)化率 %48495051.555二段爐出口氣總流量kmol/hr（干）910592479376947910391溫度 870879892904918h2 流量 kmol/hr48214916502251145202ch4 流量 kmol/hr321287243207171n2 流量 kmol/hr21592159218521962207甲烷化裝置出口氣總流量kmol/hr（干）82448341847585838686h2 流量 kmo

16、l/hr57065836598361146238ch4 流量 kmol/hr351318279245212n2 流量 kmol/hr21592159218521962207膜分離裝置進(jìn)氣總流量 kmol/hr18391612147412811038h2 流量 kmol/hr959839784684539ch4 流量 kmol/hr377341296258221n2 流量 kmol/hr394333300253202ar 流量 kmol/hr3232323232膜分離裝置滲透氣（富氫）總流量 kmol/hr752659612534424h2 流量 kmol/hr667583545476375ch

17、4 流量 kmol/hr3834302622n2 流量 kmol/hr4236322721ar 流量 kmol/hr5.25.25.25.25.2膜分離裝置非滲透氣（燃料）總流量 kmol/hr1013889803696572h2 流量 kmol/hr292256239209164ch4 流量 kmol/hr338306266232199n2 流量 kmol/hr352297268226180ar 流量 kmol/hr2727272727合成塔進(jìn)氣總流量 kmol/hr2898830022313593290434227h2 流量 kmol/hr1678617344183601928519643

18、ch4 流量 kmol/hr44964806479650775606n2 流量 kmol/hr64796532674869137103ar 流量 kmol/hr382451520634813液氨產(chǎn)品nh3 流量 kmol/hr35583665377738843996合成塔出口氣總流量 kmol/hr2541726340275682900730217h2 流量 kmol/hr1142911821126741343913628ch4 流量 kmol/hr44964806479650775606n2 流量 kmol/hr46944690485349645099ar 流量 kmol/hr382451521634814nh3 流量 kmol/hr44164571472548935070合成系統(tǒng)進(jìn)氣總流量 kmol/hr89328936902190529044h2 流量 kmol/hr63276373648165436565ch4 流量 kmol/hr387351307267233n2 流量 kmol/hr21852179220122072212ar 流量 kmol/hr33333