一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置及其凈化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化工深冷凈化裝置，尤其涉及一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置及其凈化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在合成氨技術(shù)發(fā)展過程中，研宄主要集中于降低能耗和提高能量效率上。我國目前有大量的中、小型合成氨裝置在運(yùn)行。該種合成氨裝置的工藝流程主要包括原料氣壓縮、原料氣脫硫、一段爐轉(zhuǎn)化、二段爐轉(zhuǎn)化、CO變換、C02吸收、甲烷化、合成氣干燥、合成氣壓縮、氨合成及冷凍等工段。深冷凈化工藝是將合成氣壓縮的合成氣抽出，通過深冷凈化的工藝，將其中的甲烷及過量的氬取出，經(jīng)凈化后的氮?dú)錃夥祷睾铣蓺鈮簷C(jī)。
[0003]由于經(jīng)過預(yù)處理后的原料氣中含有少量甲烷和氬氣，而這些少量的甲烷和氬氣在氨合成反應(yīng)中不參與反應(yīng)，因而就會(huì)有越來越多的甲烷和氬氣累積，這對反應(yīng)平衡、進(jìn)度及能耗都會(huì)有不利影響。因此當(dāng)甲烷和氬氣累積到一定濃度后，要將反應(yīng)氣弛放掉。這樣就造成大量氫氣的損耗，降低了產(chǎn)品的收率。采用深冷凈化工藝可以去除原料氣中幾乎全部甲烷、大部分氬氣及過量氮?dú)?，從而減少合成氨反應(yīng)器中惰性氣體的累積，提高了氫氣分壓，增加了產(chǎn)品的收率。
[0004]目前合成氨工藝中原料氣中的甲烷和氮?dú)?、氬氣一起作為尾氣放掉，沒有得到回收。其中甲烷作為可再生能源，經(jīng)預(yù)算年產(chǎn)萬噸合成氨廠每年作為廢弛氣浪費(fèi)掉的甲烷近百萬元，尤其目前全球能源緊張，因此對原料氣中甲烷的回收就顯得尤為重要。
[0005]我公司之前公開的發(fā)明專利:一種合成氨原料氣的凈化裝置及凈化方法，ZL201110386815.4，雖然在一定程度上解決廢弛氣浪費(fèi)，但其整個(gè)裝置需要通過高壓氮?dú)庋h(huán)制冷來提供冷源，其高壓氮?dú)鈦碓从谕獠抗に?，需要額外高成本運(yùn)行，以300kt/a合成氨系統(tǒng)計(jì)算，年需額外電費(fèi)近1800萬元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置及其凈化方法。
[0007]一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置，包括深冷換熱器、富氫洗滌塔、脫甲烷脫氬塔、壓縮機(jī)、第一膨脹機(jī)、第二膨脹機(jī)、第一冷卻器、第二冷卻器、第三冷卻器、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、第三節(jié)流閥、合成氨原料氣管路、氮?dú)溲h(huán)管路及液化氣管道，所述的脫甲烷脫氬塔塔底內(nèi)部包括再沸器；
合成氨原料氣管路穿過深冷換熱器與富氫洗滌塔下部連接，富氫洗滌塔底部通過液化氣管路與第一節(jié)流閥連接，并繼續(xù)穿過深冷換熱器與脫甲烷脫氬塔下部連接；脫甲烷脫氬塔頂部通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器依次與壓縮機(jī)、第一冷卻器連接；
第一冷卻器出口分為上下路，上路又分兩支流，其中一支流通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器與第一膨脹機(jī)膨脹端連接，第一膨脹機(jī)膨脹端出口穿過深冷換熱器并在其中部，與脫甲烷脫氬塔頂部的氮?dú)溲h(huán)管路連接形成匯流；另一支流通過氮?dú)溲h(huán)管路，依次與第一膨脹機(jī)增壓端、第二冷卻器、第二膨脹機(jī)增壓端、第三冷卻器連接；
第三冷卻器出口通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器并在其中部再次分為兩支流，其中一支流與第二膨脹機(jī)膨脹端連接，第二膨脹機(jī)膨脹端出口與脫甲烷脫氬塔頂部的氮?dú)溲h(huán)管路連接形成匯流；另一支流與脫甲烷脫氬塔塔底內(nèi)部的再沸器連接；
脫甲烷脫氬塔塔底內(nèi)部的再沸器出口通過氮?dú)溲h(huán)管路再次分為兩支流，其中一支流依次與第二節(jié)流閥、富氫洗滌塔上部連接；另一支流依次與第三節(jié)流閥、脫甲烷脫氬塔上部連接。
[0008]作為優(yōu)選，所述的富氫洗滌塔頂部與第一冷卻器出口下路形成匯流，再與氮?dú)浜铣蓧嚎s裝置連接。
[0009]作為優(yōu)選，所述的脫甲烷脫氬塔底部的液化氣管道，穿過深冷換熱器與液化天然氣收集裝置連接。
[0010]作為優(yōu)選，所述的脫甲烷脫氬塔中部與富氬氣體收集裝置連接。
[0011]一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置的深冷凈化方法，包括以下步驟:
1)合成氨原料氣a經(jīng)過深冷換熱器熱交換后進(jìn)入到富氫洗滌塔下部，自下而上與頂部自上而下的低溫液態(tài)富氮?dú)鋌進(jìn)行氣液兩相逆流接觸發(fā)生相際傳質(zhì)，從而在富氫洗滌塔塔頂?shù)玫礁粴浠旌蠚釩，其氫氣、氮?dú)饽柋葹?.0-3.2:1，無氬氣、甲烷，富氫混合氣c經(jīng)深冷換熱器熱交換后傳輸至氮?dú)浜铣蓧嚎s裝置進(jìn)行合成氨反應(yīng)；在富氫洗滌塔塔底得到釜液d，其氫氣、氮?dú)狻鍤?、甲烷摩爾比?:20~23:0.9-1:13-16 ；
2)釜液d通過第一節(jié)流閥節(jié)流減壓后，經(jīng)過深冷換熱器熱交換后進(jìn)入到脫甲烷脫氬塔與頂部自上而下的低溫液態(tài)富氮?dú)鋌進(jìn)行氣液兩相逆流接觸發(fā)生相際傳質(zhì)，從而在脫甲烷脫氬塔塔頂?shù)玫礁坏旌蠚鈋，其氫氣、氮?dú)饽柋葹?:19~22，無氬氣、甲烷；在脫甲烷脫氬塔中部出口得到富氬氣體；在脫甲烷脫氬塔塔底得到液化天然氣，并經(jīng)深冷換熱器熱交換后傳輸至液化天然氣收集裝置進(jìn)行收集；
3)富氮混合氣e，首先與第二膨脹機(jī)膨脹端出口的富氮混合氣匯合，然后經(jīng)過深冷換熱器并在其中部與第一膨脹機(jī)膨脹端出口的富氮混合氣匯合，經(jīng)過深冷換熱器熱交換后，依次經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮、第一冷卻器冷卻后，其中部分富氫混合氣進(jìn)入下路管道與富氫混合氣c匯合傳輸至氮?dú)浜铣蓧嚎s裝置進(jìn)行合成氨反應(yīng)；
4)另一部分富氮混合氣e進(jìn)入上路管路分為兩支流，其中一支流f，依次經(jīng)過深冷換熱器熱交換、第一膨脹機(jī)膨脹端膨脹，再次經(jīng)過深冷換熱器并在其中部，與脫甲烷脫氬塔頂部出來的富氮混合氣e匯合形成小循環(huán)；
5)另一支流g依次經(jīng)過第一膨脹機(jī)增壓端壓縮、第二冷卻器冷卻、第二膨脹機(jī)增壓端壓縮及第三冷卻器冷卻處理后，經(jīng)過深冷換熱器熱交換，并在其中部又分為兩支流；其中一支流h輸送至第二膨脹機(jī)膨脹端膨脹處理后，與脫甲烷脫氬塔頂部出來的富氮混合氣e匯合形成大循環(huán)；
6)另一支流i輸送至脫甲烷脫氬塔塔底內(nèi)部的再沸器，經(jīng)再沸器汽化處理后，再次分為兩支流，其中一支流j經(jīng)第二節(jié)流閥，進(jìn)入富氫洗滌塔塔頂對合成氨原料氣a進(jìn)行洗滌，另一支流k經(jīng)第三節(jié)流閥節(jié)流減壓后，進(jìn)入脫甲烷脫氬塔塔頂對汽化的釜液d進(jìn)行洗滌。
[0012]作為優(yōu)選，所述的脫甲烷脫氬塔塔內(nèi)的操作壓力為410~490KPaG。
[0013]作為優(yōu)選，所述的步驟5)中依次經(jīng)過第一膨脹機(jī)增壓端壓縮、第二冷卻器冷卻、第二膨脹機(jī)增壓端壓縮及第三冷卻器冷卻處理后支流g，經(jīng)過深冷換熱器熱交換，在其中部的富氮混合氣e溫度為-105~-135°C。
[0014]作為優(yōu)選，所述的步驟6)中進(jìn)入再沸器的支流g，其內(nèi)部富氮混合氣e溫度為-175~-185°C。
[0015]采用本發(fā)明，有效降低了布朗合成氨工藝能耗，提升了深冷凈化效率，減少了合成氨工廠馳放氣的排放量，增加了合成氨原料產(chǎn)率，整個(gè)深冷凈化流程靈活、方便、穩(wěn)定。合成氨原料氣通過本發(fā)明深冷凈化處理后，在富氫洗滌塔塔頂?shù)玫礁呒兌鹊獨(dú)錃獗冉咏鼮?:3的合成氣，在脫甲烷脫氬塔塔底得到液化天然氣產(chǎn)品，經(jīng)預(yù)算年產(chǎn)萬噸合成氨廠每年可收集液化天然氣就可實(shí)現(xiàn)百萬元經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)本發(fā)明運(yùn)行所需的冷源直接來源于合成氨原料氣分離出來的富氮?dú)鈦硌h(huán)制冷，無需外部額外高壓氮?dú)庋h(huán)制冷，以300kt/a合成氨系統(tǒng)計(jì)算，年可節(jié)省額外電費(fèi)近1800萬元，有效緩解了社會(huì)能源緊張。
【附圖說明】
[0016]圖1為合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置示意圖；
圖2為合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化方法示意圖；
圖中，深冷換熱器1、富氫洗滌塔2、脫甲烷脫氬塔3、壓縮機(jī)4、第一膨脹機(jī)5、第二膨脹機(jī)6、第一冷卻器7、第二冷卻器8、第三冷卻器9、第一節(jié)流閥10、第二節(jié)流閥11、第三節(jié)流閥12、再沸器13。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，一種合成氨合成氣自循環(huán)深冷分離凈化裝置，包括深冷換熱器1、富氫洗滌塔2、脫甲烷脫氬塔3、壓縮機(jī)4、第一膨脹機(jī)5、第二膨脹機(jī)6、第一冷卻器7、第二冷卻器8、第三冷卻器9、第一節(jié)流閥10、第二節(jié)流閥11、第三節(jié)流閥12、合成氨原料氣管路、氮?dú)溲h(huán)管路及及液化氣管道，所述的脫甲烷脫氬塔3塔底內(nèi)部設(shè)有再沸器13 ;
合成氨原料氣管路穿過深冷換熱器I與富氫洗滌塔2下部連接，富氫洗滌塔2底部通過液化氣管路與第一節(jié)流閥10連接，并繼續(xù)穿過深冷換熱器I與脫甲烷脫氬塔3下部連接；脫甲烷脫氬塔3頂部通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器I依次與壓縮機(jī)4、第一冷卻器7連接；
第一冷卻器7出口分為上下路，上路又分兩支流，其中一支流通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器I與第一膨脹機(jī)5膨脹端連接，第一膨脹機(jī)5膨脹端出口穿過深冷換熱器I并在其中部，與脫甲烷脫氬塔3頂部的氮?dú)溲h(huán)管路連接形成匯流；另一支流通過氮?dú)溲h(huán)管路，依次與第一膨脹機(jī)5增壓端、第二冷卻器8、第二膨脹機(jī)6增壓端、第三冷卻器9連接；第三冷卻器9出口通過氮?dú)溲h(huán)管路，穿過深冷換熱器I并在其中部再次分為兩支流，其中一支流與第二膨脹機(jī)6膨脹端連接，第二膨脹機(jī)6膨脹端出口與脫甲烷脫氬塔3頂部的氮?dú)溲h(huán)管路連接形成匯流；另一支流與脫甲烷脫氬塔3塔底內(nèi)部的再沸器13連接；脫甲烷脫氬塔3塔底內(nèi)部的再沸器13出口通過氮?dú)溲h(huán)管路再次分為兩支流，其中一支流依次與第二節(jié)流閥11、富氫洗滌塔2上部連接；另一支流依次與第三節(jié)流閥12、脫甲烷脫氬塔3上部連接。
[0018]所述的富氫洗滌塔2頂部與第一冷卻器7出口下路形成匯流，再與氮?dú)浜铣蓧嚎s裝置連接。
[0019]所述的脫甲烷脫氬塔3底部的液化氣管道，穿