[RU]

Описан способ получения аммиака, включающий стадию, в которой синтетический газ получают двумя различными путями, а именно путем каталитического частичного окисления и путем парового риформинга, при этом объединенные потоки синтетического газа подвергают реакции сдвига фаз вода-газ. Кроме того, описан способ получения мочевины, в котором мочевина образуется в процессе, включающем использование указанных объединенных потоков и стадии каталитического частичного окисления, при этом диоксид углерода, образовавшийся в том же процессе, реагирует с указанным аммиаком с получением мочевины.

(57) Реферат / Формула:

Описан способ получения аммиака, включающий стадию, в которой синтетический газ получают двумя различными путями, а именно путем каталитического частичного окисления и путем парового риформинга, при этом объединенные потоки синтетического газа подвергают реакции сдвига фаз вода-газ. Кроме того, описан способ получения мочевины, в котором мочевина образуется в процессе, включающем использование указанных объединенных потоков и стадии каталитического частичного окисления, при этом диоксид углерода, образовавшийся в том же процессе, реагирует с указанным аммиаком с получением мочевины.

---

1411148
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА И МОЧЕВИНЫ Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу получения аммиака, а также к способу получения аммиака с последующим получением мочевины.
Предшествующий уровень техники
Аммиак обычно получают путем проведения реакции водорода с азотом в соответствии со следующим уравнением реакции: 3H2+N2-* 2NH3.
Водород (ЕЬ) в большинстве случаев получают из синтетического газа (называемого обычно "сингаз"), который, в свою очередь, получают из углеводородного сырья, подвергаемого паровому риформингу, после проведения которого обычно следует проведение автотермического риформинга (АТР) с тем, чтобы получить смесь, содержащую моноксид углерода (СО), водород (Н2) и диоксид углерода (С02), после чего обычно осуществляют реакцию сдвига фаз вода-газ (СВГ), в которой моноксид углерода реагирует с водой с образованием диоксида углерода и водорода. После удаления СОг (или в ином случае отделения Н2 от газовой смеси) водород становится подходящим для реагирования с азотом (N2). Последний или находится в первоначальной газовой смеси (поскольку он является инертным газом во всех стадиях, предшествующих условиям проведения синтеза аммиака), или добавляется позднее, если получен из воздуха, в установке, в которой происходит отделение азота от кислорода. Водород и азот подвергают сжатию и конверсии в аммиак в реакторе синтеза.
Аммиак часто используют в качестве исходного материала для синтеза мочевины. Мочевина (NH2CONH2) может быть получена из аммиака и диоксида углерода при повышенной температуре, как правило, в интервал от 150°С до 250°С и повышенном давлении, как правило, в интервале от 12 до 40 МПа, в зоне синтеза установки для производства мочевины. Проведение этого синтеза осуществляется в две последовательные стадии. На первой стадии получают карбамат аммония, а на следующей стадии полученный карбамат аммония подвергают дегидрированию для того, чтобы получить мочевину в соответствии со следующими уравнениями реакций:
(i) 2NH3 + С02 -> H2N - СО - ONH4
(ii) H2N - СО - ONH4 -о- H2N - СО - NH2 + Н20.
(i)
Характерный способ получения аммиака, иллюстрируемый на фиг.1, включает проведение парового риформинга для производства водорода, после которого осуществляется реакция указанного водорода с азотом, полученным в воздухоразделительной установке (ВРУ). Однако недостатком этого способа является значительное количество энергии, потребляемой для разделения воздуха на азот и кислород, при этом полученный кислород не используют.
Другой характерный способ, раскрытый, к примеру, в патентном документе US 6448441, включенном в настоящее описании посредством ссылки, предусматривает использование двух параллельных газогенераторов, работающих при различных режимных параметрах, для того чтобы увеличить количество диоксида углерода (СОг), используемого для производства мочевины, если для производства сингаза используется газогенератор, работающий на природном газе. За счет использования двух газогенераторов можно получить надлежащий стехиометрический состав реакционной смеси для последующего производства аммиака. В способе согласно патентному документу US 6448441 необходимо получать дополнительное количество СОг для обеспечения надлежащего стехиометрического состава для химического реагирования аммиака с СОг с получением азота. Для этого требуется сжигание дополнительного углеродистого материала, например, природного газа, что приводит к потреблению большего количества исходного сырья и энергии. При производстве аммиака, а также при производстве мочевины, желательно, таком образом, чтобы сырьевой материал присутствовал в надлежащем стехиометрическом составе, и желательно по возможности уменьшить затраты энергии и сырьевого материала.
Сущность изобретения
Для более успешного решения одной или более из поставленных выше задач, настоящее изобретение в одном аспекте обеспечивает способ получения аммиака, включающий стадии:
(a) обеспечения углеводородного сырья;
(b) проведения каталитического частичного окисления (КЧО) указанного углеводородного сырья с тем, чтобы получить газовый поток процесса КЧО, содержащий моноксид углерода, водород и диоксид углерода;
(c) обеспечения газового потока парового риформинга, полученного путем парового риформинга (ПР) углеводородного сырья;
(d) проведения реакции сдвига фаз вода-газ (СВГ) в газовом потоке КЧО и
газовом потоке ПР, в которой моноксид углерода реагирует с водой с образованием газа
реакции СВГ, содержащего водород и диоксид углерода;
(e) подвергания отдельных газовых потоков стадии смешения до или после проведения реакции СВГ с получением смешанного газа СВГ;
(f) подвергания смешанного газа СВГ стадии обогащения водородом с тем, чтобы получить поток обогащенный водородом;
(g) реагирования обогащенного водородом потока с азотом в условиях образования аммиака с получением аммиака.
В другом аспекте изобретение относится к способу получения мочевины, включающему способ получения аммиака, такой как описан выше, при этом стадия (d) разделения включает извлечение (удаление) из реакционной смеси СОг и реагирование аммиака с извлеченным С02 в условиях образования мочевины.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 и фиг.2 - блок-схема воплощения способа получения аммиака и мочевины, известного в уровне техники.
Фиг.З - блок-схема воплощения способа получения аммиака и мочевины, соответствующего настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение, вообще, основано на сложившемся у авторов представлении о том, что использование каталитического частичного окисления (КЧО) при образовании синтетического газа, в совокупности с паровым риформингом, может дать неожиданные преимущества как при производстве аммиака (приводит к модернизации производства аммиака), так и при производстве мочевины, благодаря получению дополнительного количества С02, что может быть использовано для увеличения производства мочевины.
Для увеличения количества С02 для производства мочевины, часть традиционного углеводородного сырья парового риформинга подвергают процессу КЧО и превращают в вид синтетического газа, который в настоящем описании именуется "газ КЧО" с более высоким соотношением СО/Н2 по сравнению с тем, которое могло быть достигнуто при паровом риформинге. Полученное в результате относительно большее количество СО ниже по ходу движения потока, в реакторе для проведения реакции сдвига фаз вода-газ, последовательно превращают в С02.
Для получения аммиака необходимо иметь в наличии азот (N2) в качестве реагента. Азот получают из воздуха, и в обычно проводимых процессах это приводит к
ттштт
потерям кислорода (Ог). В настоящем изобретении предусмотрено использование кислорода, образовавшегося в процессе получения азота, в качестве реагента -источника кислорода окисления на стадии каталитического частичного окисления, который утилизируют для последующего процесса получения мочевины.
Таким образом, используемая в изобретении комбинация стадии каталитического частичного окисления и стадии парового риформинга для синтеза аммиака в соответствии с изобретением представляет собой высокоэкономичное усовершенствование процесса. Фактически это является синергетическим эффектом в том смысле, что кислород, необходимый для каталитического частичного окисления, предоставляется для использования благодаря процессу получения аммиака, и, иначе говоря, обычно теряемый кислород может быть использован. Поток газа КЧО и поток газа ПР могут быть перемешаны перед проведением реакции СВГ. Они могут быть также подвержены реакции СВГ по отдельности, и затем полученные газовые потоки смешивают так, чтобы получить смешанный газ СВГ. Предпочтительно способ согласно изобретению включает стадию смешивания потоков газа КЧО и газа ПР с получением смешанного газа, после чего со смешанным газом осуществляют реакцию СВГ. В конкретном предпочтительном воплощении поток газа КЧО и поток газа ПР подвергают реакции СВГ полностью, и таким образом, исключается поток, направляемый в обход реакции СВГ. Преимущество такого воплощения заключается в том, что необходимый стехиометрический состав для получения аммиака и затем мочевины получают уже из двух потоков, которые полностью подвергают реакции СВГ. Таким образом, отсутствует необходимость в байпасировании потока, участвующего в реакции СВГ, и использовании части потоков газа КЧО и ПР, например, с целью извлечения водорода для регулирования состава реагентов перед проведением реакции синтеза аммиака.
Для получения мочевины необходимо наличие в качестве реагента диоксида углерода (СОг). Проблема известных способов получения мочевины заключается в том, что обычно существует дефицит С02 по отношению к располагаемому количеству аммиака. Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что аммиак и С02 получают в необходимых количествах, и они являются полностью подходящими реагентами для синтеза мочевины. В указанном потоке газов, который является составляющей процесса производства, присутствует какое-то количество СОг, полученное в процессе каталитического частичного окисления, в частности, на последующей стадии проведения реакции сдвига фаз вода-газ, и при этом полученный СО2 является полностью подходящим в качестве реагента для получения мочевины.
Способ согласно изобретению, независимо от того, является ли он способом
получения аммиака или способом получения мочевины, начинается с каталитического частичного окисления углеводородного сырья, а также парового риформинга углеводородного сырья. Углеводородным сырьем может быть единственный углеводород или смесь углеводородов, или любая другая композиция, содержащая, по меньшей мере, один углеводород. В случае традиционного использования природного газа перед осуществлением способа в соответствии с изобретением будет осуществлена десульфуризация природного газа.
Углеводородное сырье может находиться в газообразном (например, метан или природный газ) или жидком состоянии, а также может представлять собой биомассу. Углеводородное сырье может быть подходящим для непосредственной подачи на каталитическое частичное окисление или может быть предварительно очищено для удаления каких-либо нежелательных примесей, например, соединений серы, которые могут присутствовать.
Предпочтительно углеводородное сырье выбирают из группы, включающей природный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ), нефтезаводской газ, нафту и смесь указанных веществ.
Часть способа, относящаяся к процессу ПР в соответствии с изобретением, хорошо известна специалисту в данной области техники. Часть способа, относящаяся к процессу КЧО, ниже будет рассмотрена более подробно.
Реакторы КЧО известны специалисту в данной области техники. Реактор КЧО обычно содержит реакционную зону, образованную вертикальным стальным сосудом высокого давления, имеющим цилиндрическую форму и покрытым изнутри жаростойким материалом. Обычно реактор КЧО отделен от автотермического реактора-риформера, поскольку последний содержит горелку, которая отсутствует в реакторе.
Для ввода в реактор сырьевых потоков может быть использован смеситель, такой как описан в патентном документе WO2007045457.
В результате проведения процесса КЧО получают синтетический газ или сингаз, содержащий СО, С02 и Н2. Этот газ в настоящем описании называется также "газ КЧО". При выборе метана в качестве примера исходного углеводородного сырья уравнение реакции процесса КЧО имеет вид:
СН4+О.5 02-> СО+2Н2.
Термин КЧО известен специалисту в данной области техники. Употребляется также термин КЧО-МВК, который сокращенно обозначает "процесс каталитического частичного окисления с малым временем контакта". Реакция КЧО происходит в реакторе под воздействием катализатора при продолжительности нахождения в реакторе от 10" до
10"4 и при типичном времени контакта с поверхностью катализатора приблизительно 10" с"1. Такая продолжительность контакта соответствует типичной объемной скорости в интервале от 100000 до 250000 час"1, предпочтительно в интервале от 100000 до 200000 час"1. Катализаторы, используемые для проведения процесса КЧО-МВК, включают Ni, Pd, Pt, Rh или Ru. Реакция протекает при температурах поверхности катализатора выше 950°С, предпочтительно выше 1000°С.
За счет указанного малого времени контакта и высоких температур поверхности катализатора в значительной степени преобладает образование СО, в то время как образование углерода или СОг подавляется. Это приводит к получению весьма выгодного состава синтетического газа, что, в свою очередь, приводит к выгодным стехиометрическим параметрам (составу) как для производства аммиака, так и для производства мочевины. Реакция КЧО обычно будет проводиться в реакторе каталитического частичного окисления, содержащем подходящий слой катализатора, который служит для активизации процесса частичного окисления углеводорода с получением СО и Н2. Следует понимать, что может быть также образован продукт полного окисления (т.е. СОг).
Термин КЧО известен специалисту в данной области техники, который знаком также с используемыми для этого процесса катализаторами. См., например: L. Basini, Catalyst Today 117(2006), 384-393 или L. Basini, К. Aasberg-Petersen, A. Guarinoni, M. Oestberg, Catalysis Today (2001) 64, 9-20 "Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas at Elevated Pressure and Low Residence Time (каталитическое частичное окисление природного газа при повышенном давлении и коротком времени контакта)"; (с) Н. Hickman, L.D. Schmidt, J. Catal. 138 (1992) 267; (d) D. Hichman, L.D. Schmidt Science, 259 (1993) 343; (e) L. Basini, G. Donati WO 97/37929; (f) Sanfilippo, Domenico; Basini, Luca; Marchionna, Mario; EP-640559; (g) D. Schaddenhorst, R.J. Schoonebeek; WO 00/00426; (h) K.L. Hohn, L.D. Schmidt, S. Reyes, J.S. Freeley, WO 01/32556; (i) A.M. Gaffney, R. Songer, R. Ostwald, D. Corbin, WO 01/36323.
Следует принимать во внимание, что для окисления в процессе КЧО следует подводить кислород. Хотя кислород может находиться в подводимом воздухе, недостаток такой формы его нахождения заключается в том, что в воздухе содержится относительно большое количество азота, который в реакции образования аммиака является инертным газом, и это относительно большое количество азота приходиться транспортировать через технологическую установку. Для этого требуется намного больше оборудования, чем могло быть определенно необходимо для проводимых реакций, что является нежелательным из экономических соображений и связано с
другими недостатками, такими как необходимость создания оборудования, занимающего слишком большую площадь поверхности на земле. В связи с этим предпочтительно, чтобы каталитическое частичное окисление проводилось при воздействии кислородсодержащего газового потока, содержащего, по меньшей мере, 40% кислорода, предпочтительно, по меньшей мере, 60% кислорода. Более предпочтительно, чтобы кислородсодержащий газовый поток имел чистоту от 90 до 100%.
Ещё одно преимущество использования процесса каталитического частичного окисления заключается в том, что синтетический газ может быть получен при соотношении Н2/СО2 подходящем для максимального производства аммиака и мочевины по отношению к составу сырья. При надлежащем установлении соотношения пара и углерода (П/С) и соотношения кислорода и углерода (О2/С) и температур нагрева потоков, подводимых в реактор КЧО, а также в присутствии сырьевого природного газа, количество СО2, полученное в синтетическом газе, является достаточно высоким, чтобы использовать весь полученный аммиак NH3, не оставляя излишка NH3. Специалисту в данной области техники без проведения излишних экспериментов понятно, как вычислить надлежащее количество реагентов, которое должен содержать синтетический газ, и как провести процесс каталитического частичного окисления для достижения этого результата.
Реактор КЧО предпочтительно работает при соотношении пара и углерода (П/С) в интервале от 0,3 до 1,0, более предпочтительно - в интервале от 0,4 до 0,6. Соотношение кислорода и углерода (О/С) предпочтительно находится в интервале от 0,3 до 1,0, предпочтительно - в интервале от 0,5 до 0,7.
В другом предпочтительном воплощении сырой газ, полученный при каталитическом частичном окислении, имеет температуру в интервале приблизительно от 900°С до 1200°С, предпочтительно от 950 до 1050°С, более предпочтительно температура составляет приблизительно 1000°С.
В целях увеличения производства водорода смесь реакции КЧО, т.е. газ КЧО, подвергается реакции сдвига фаз вода-газ. Для этого смесь направляют на проведение процесса сдвига фаз вода-газ (СВГ), где газовая смесь, содержащая моноксид углерода и водяной пар, превращается в водород и диоксид углерода. Синтетический газ, как правило, охлаждают или в бойлере с технологическим газом или в квенчере непосредственного охлаждения перед его поступлением в реактор СВГ, производящем поток синтетического газа, подвергнутый реакции сдвига фаз. В приведенном выше примере, исходя из СН4, эта последующая стадия превращения СО в СОг с использованием реактора СВГ представлена уравнением реакции в следующем виде:
С0+ 2Н2 + Н20 -" С02 + ЗН2.
Для достижения желаемой степени и скорости конверсии реакцию СВГ обычно проводят в одну стадию или многостадийно. При многостадийном процессе высокотемпературная стадия (ВТС) проходит при температуре 300-450°С и, как правило, в присутствии катализатора на основе железа, в частности, Fe/Cr. На высокотемпературной стадии происходит конверсия наибольшего количества СО, обычно более чем 90%, например, от 96 до 98%. Последующая стадия процесса может быть высокотемпературной стадией, стадией промежуточных температур или низкотемпературной стадией (ВТС, СПТ или НТС). На стадиях СПТ иди НТС рабочая температура составляет приблизительно 180-280°С и обычно используют катализатор медь/цинк на носителе из оксида алюминия, т.е. (Cu/Zn/Al). На этих последних стадиях остаточная концентрации СО в выходящем потоке, как правило, составляет 0,1-0,3%.
Газовый поток, полученный в реакторе СВГ, содержит, главным образом, водород, азот и диоксид углерода. Газовый поток подвергается стадии обогащения водородом с тем, чтобы получить поток обогащенный водородом. Стадия обогащения водородом включает отделение водорода от диоксида углерода, например, путем удаления последнего. По усмотрению, водород отделяют от газового потока СВГ посредством метода адсорбции с перепадом давления (АПД) с получением потока чистого водорода и продувочного газа, который обычно содержит Н2, СКЦ, СО и С02. Продувочный газ после проведения АПД направляют на рециркуляцию в реактор КЧО для достижения степени конверсии сырья 100%.
В первом аспекте способ согласно изобретению используют для получения аммиака. В частности, способ в соответствии с изобретением используют в целях повышения содержания С02 при производстве аммиака, после получения которого получают мочевину.
Производство аммиака требует подвода водорода в качестве реагента, в соответствии с вышеуказанной стадией (е), т.е. необходимо отделение водорода от реакционной смеси. Предпочтительно отделение водорода от реакционной смеси, полученной в ходе реакции сдвига фаз вода-газ, осуществляют путем удаления С02 из газовой смеси, содержащей водород и диоксид углерода так, чтобы получить газовую смесь, богатую Н2. Последняя реагирует с N2 с образованием аммиака. Эта реакция хорошо известна, и специалист в данной области техники знаком со способами и установками для её проведения.
В способе согласно изобретению предпочтительно, чтобы кислород, используемый в процессе каталитического частичного окисления, и азот, используемый в реакции с
образованием аммиака, были подведены из воздухоразделительной установки. Преимущество такого решения заключается в отсутствии необходимости транспортировать азот через всю технологическую установку, и в том, что оба разделенные компонента воздуха используются в максимально возможной степени, вместо ранее производимого отвода одного из них - кислорода (в случае использования азота в реакции образования аммиака) или обременения процесса большим количеством инертного азота (в случае использования воздуха в процессе каталитического частичного окисления).
В воздухоразделительной установке азот и кислород получают в основном в соответствии со следующим уравнением:
1,88 N2+ 0.5 02 (воздух) 1,88 N2 + 0.5 02. Воздухоразделительные установки (в сокращенном наименовании известные как ВРУ) известны специалисту в данной области техники. Могут быть задействованы воздухоразделительные установки, использующие криогенное, адсорбционное разделение воздуха, разделение воздуха путем вакуумной короткоцикловой адсорбции или мембранное разделение воздуха. В предпочтительном воплощении используют способ криогенного разделения воздуха. В указанном способе сжимают большие объемы отводимого из атмосферы воздуха, которые затем охлаждают и сжижают. После сжатия удаляют примеси и разделяют азот и кислород с помощью дистилляции. Подробный обзор можно найти в докладе Nexant PERP 08/09S1 (February 2010). Следует понимать, что кислород и азот могут быть получены также в разных воздухоразделительных установках. Предпочтительно азот и кислород, используемые в предложенном способе, поступают из одной и той же воздухоразделительной установки.
Во втором аспекте способ согласно изобретению используется для получения мочевины. В частности, способ согласно изобретению используется для увеличения производства мочевины в существующей (известной) установке. Конкретнее, способ согласно изобретению может быть использован для увеличения производства мочевины в существующей установке путем исключения любого избытка NH3 или любого избытка СОг. В соответствии с изобретением аммиак реагирует с вышеупомянутым извлеченным из газовой смеси СО2 при режимных параметрах образования мочевины. Эта реакция также хорошо известна, и способы и установки для получения мочевины имеются в распоряжении специалиста в данной области техники.
В другом воплощении изобретение обеспечивает способ повышения производства мочевины в существующем производстве мочевины, связанном с системой получения синтетического газа, содержащей паровой риформер, путем добавления в систему
получения синтетического газа реактора КЧО, включенного параллельно паровому риформеру.
Установки для производства мочевины обычно соединены с установкой для производства сингаза/водорода и установкой для производства аммиака. Такое соединение используют для синтеза реагентов, необходимых для получения мочевины. Проблема установок для производства сингаза/водорода, содержащих паровые риформеры, заключается в том, что со временем производительность паровых риформеров снижается вследствие интенсивной их эксплуатации при высоких температурах. Паровые риформеры обычно содержат трубы, заполненные катализатором, которые подвержены действию очень высоких температур, например, более 1000°С в течение продолжительного периода времени. Типичный срок эксплуатации таких труб составляет 15-20 лет, однако на практике снижение производительности начинается много раньше, к примеру, уже по истечении 10 лет. В то же время производительность реактора процесса КЧО, находящегося ниже по потоку от ПР, и производительность другого оборудования, подобного реакторам синтеза аммиака и реакторам синтеза мочевины, в течение продолжительного периода времени не изменяется. Вообще, производительность всего процесса производства мочевины снижается вследствие снижения производительности оборудования для производства сингаза/водорода.
Настоящее изобретение обеспечивает решение отмеченной выше проблемы снижения производительности установки для производства мочевины, соединенной с оборудованием для получения водорода, включающим паровой риформер, которая (проблема) связана с износом парового риформера. В частности, изобретение обеспечивает способ увеличения производства мочевины в существующем производстве мочевины, связанном с системой для производства сингаза, содержащей паровой риформер (ПР), путем добавления к системе производства сингаза реактора каталитического частичного окисления (КЧО) параллельно паровому риформеру. Описанная модернизация обеспечивает повышение или восстановление производительности установки для получения мочевины до первоначального уровня, без какого-либо изменения конструкции реактора СВГ или других секций установок. Кроме того, производительность установки для производства мочевины может быть повышена ещё больше, до величин, превышающих начальную производительность, благодаря лучшему стехиометрическому соотношению компонентов сырья, подаваемого в секции синтеза аммиака и мочевины. Реактор КЧО выполнен относительно компактным, имеет небольшую занимаемую площадь и низкие капитальные затраты по сравнению с паровым риформингом.
В предпочтительном воплощении изобретение относится к способу увеличения производства мочевины в существующем производстве мочевины, связанном с системой получения сингаза, содержащей паровой риформер и автотермический реактор (ПР + АТР), путем добавления к системе получения сингаза реактора КЧО, включенного параллельно паровому риформеру и автотермическому реактору.
Существующую установку для производства мочевины снабжают ВРУ, что позволяет получить и эффективно использовать азот и кислород в способе согласно изобретению так, как описано выше. Другие предпочтительные воплощения и параметры процесса, раскрытые в настоящем описании, в равной степени применимы к способу увеличения производства мочевины в соответствии с изобретением.
Мочевина (NH2C0NH2) может быть получена из аммиака и диоксида углерода при повышенной температуре (обычно, в интервале от 150°С до 250°С) и повышенном давлении (обычно в интервале от 12 до 40 МПа) в зоне синтеза установки для производства мочевины. В этом синтезе могут быть рассмотрены две последовательно проходящие стадии реакции. На первой стадии образуется карбамат аммония, а на следующей стадии осуществляется дегидратация карбамата аммония с получением мочевины. Первая стадия (i) является экзотермической, а вторая стадия может быть представлена как эндотермическая равновесная реакция (й): (i) 2NH3 + С02 -> H2N - СО - ONH4
(ii) H2N - СО - ONH4 о H2N - СО - NH2 + Н20.
В обычно применяемой установке для производства мочевины вышеприведенные реакции проводят в секции синтеза мочевины так, чтобы в результате был получен водный раствор, содержащий мочевину. В одной или большем количестве последовательных секций концентрирования раствор концентрируется до получения в конечном итоге мочевины в виде расплава, а не в виде раствора. Этот расплав в дальнейшем подвергается одной или большему числу конечных стадий, таких как приллирование, дробление, гранулирование, таблетирование или прессование.
За счет продуманного ведения процесса каталитического частичного окисления одной части углеводородного сырья перед проведением для этой части, совместно с другой частью углеводородного сырья, реакции сдвига фаз вода-газ, и, в особенности, в сочетании с использованием воздухоразделительной установки изобретение обеспечивает экономичный путь использования компонентов полученной газовой смеси при одновременном увеличении производства мочевины и отсутствии необходимости удаления С02 из отходящих газов, образовавшихся в процессе парового риформинга (ПР). Избыточное количество азота, полученного в воздухоразделительной установке,
может быть использовано в производственном оборудовании или предоставлено другим пользователям. В соответствии с изобретением, как описано выше, используются в комбинации два процесса получения синтетического газа (газа КЧО и газа ПР). Это становится возможным всего лишь за счет обеспечения двух различных потоков углеводородного сырья, полученных посредством предварительного разделения исходного углеводородного потока. В то же время могут быть использованы различные углеводородные потоки из различных источников и/или различного состава. Могут быть также обеспечены два углеводородных потока одного и того же состава из одного источника. Предпочтительно обеспечивается единственный углеводородный поток, который затем разделяют на поток, подвергаемый КЧО, и другой поток, подвергаемый ПР.
Относительные количества двух потоков обычно находятся в соотношении поток КЧО : поток ПР, составляющем от 1,2 до 0,8, предпочтительно от 1,1 до 0,9 и наиболее предпочтительно от 1,05 до 0,95 (объем.%/объем.%). Такие соотношения потоков устанавливают для получения выгодного стехиометрического состава, необходимого для реакции синтеза аммиака и в дальнейшем при проведении реакции синтеза мочевины. Как отмечено выше, одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что за счет использования двух потоков, а именно, потока КЧО и потока ПР, которые очищают в реакторе СВГ и оба предварительно полностью подвергают реакции СВГ, можно достигнуть необходимого соотношения реагентов для производства аммиака и мочевины.
Настоящее изобретение далее будет описано в отношении конкретных воплощений и со ссылками на определенные чертежи, которые не ограничивают изобретение (границы изобретения определяются пунктами формулы изобретения). Любые ссылочные номера позиций в пунктах формулы не следует истолковывать как ограничивающие объем изобретения. Приведенные чертежи представляют собой только схематические изображения и не являются ограничивающими. На фигурах размеры некоторых элементов конструкции в иллюстративных целях могут быть увеличенными и не показаны в масштабе. Термин "содержащий", используемый в описании и пунктах формулы изобретения, не включает другие элементы или стадии. Если не оговорено иное, проценты и соотношения указаны объемными (например, соотношения водяной пар/углерод или кислород/углерод указаны, исходя из объем.%/объем.%).
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлена типичная блок-схема воплощения способа получения
аммиака и мочевины, известного в уровне техники.
Сырьевой газ поступает в аппарат для десульфуризации. Полученный поток смешивается с водяным паром и поступает в реактор парового риформинга (реактор ПР). Сингаз (газ ПР), выходящий из реактора ПР, направляют на вторичный риформинг вместе с потоком технологического воздуха. Смесь сингаза поступает в ступени ВТС и НТС реактора СВГ, где содержащийся в сингазе СО почти полностью превращается в СОг и затем в Н2.
Полученный газ процесса сдвига фаз вода-газ охлаждают и вводят в аппарат для удаления С02 и затем в реактор метанирования, где остаточное количество СО/С02 превращается в СН4. Результирующий поток, богатый Н2 вместе с содержащимся в нем N2, инертным в отношении предшествующих стадий, охлаждают, сжимают и вводят в реактор синтеза аммиака, при этом соотношение H2/N2 в смеси в случае необходимости регулируют до подходящего соотношения. Для получения более эффективного для получения мочевины стехиометрического соотношения между NH3 и С02 содержащийся в отходящем газе С02 удаляют, сжимают и направляют на производство мочевины для увеличения её производства.
На фиг.2 в виде блок-схемы представлено другое воплощение известного в уровне техники способа получения аммиака и мочевины. По сравнению с фиг.1 в этом воплощении паровой риформер производит только Н2 , a N2 добавляют ниже по потоку.
На фиг.З представлено в виде блок-схемы одно воплощение настоящего изобретения. Поток 101 сырьевого газа подают в аппарат десульфуризации 10 и затем разделяют на два потока. Первый поток 102 направляется в обычно применяемую установку, использующую паровой риформинг, описанную выше со ссылкой на фиг.1. Аппараты 20, 30 и 40 соответствуют первичному риформеру, вторичному риформеру и бойлеру, использующему газ технологического процесса, соответственно. Второй поток 202, содержащий остальную часть десульфуризованного сырья, поступает в секцию для проведения КЧО. Поток 202 перед подачей в реактор 31 КЧО смешивают в подходящем смесителе 21с другим потоком, содержащим кислород и водяной пар 203. В одном воплощении настоящего изобретения выше по потоку от реактора 31 КЧО размещен реактор предварительного риформинга (не показан).
Реактор 31 КЧО может быть выполнен в виде стального реакционного сосуда, футерованного изнутри изоляцией, служащего для конверсии углеводородов, таких как природный газ, сжиженный нефтяной газ, нефтезаводской газ, нафта и даже тяжелое углеводородное сырье. Реактор КЧО предпочтительно работает с соотношением водяной пар/углерод (П/С) в интервале от 0,3 до 1,0, предпочтительно в интервале от 0,4 до 0,6.
Соотношение кислород/углерод (Ог/С) предпочтительно находится в интервале от 0,4 до 1,0, более предпочтительно в интервале от 0,5 до 0,7.
Газ КЧО на выходе из реактора КЧО предпочтительно находится при температуре в интервале от 800°С до 1200°С, более предпочтительно - от 900°С до 1050°С. Поток 205 охлаждают в бойлере 36, использующем газовый поток технологического процесса, посредством косвенного теплообмена с генерированием водяного пара (в альтернативном воплощении газовый поток может быть охлажден с помощью непосредственного быстрого охлаждения водой). Охлажденный газ 206 КЧО затем вводят в обычный реактор 50 СВГ для превращения СО. Реактор 50 СВГ может быть одноступенчатым или двухступенчатым с промежуточным охлаждением (в альтернативном воплощении для проведения реакции сдвига фаз вода-газ может быть использован изотермический реактор-конвертер). В реакторе 50 СВГ обычно используют, например, катализатор на основе железа и/или катализатор на основе меди. Газ 106, полученный после реакции сдвига, охлаждают и вводят в аппарат 60 для извлечения С02, в котором весь СОг переходит в поток 110. Аппарат 60 для извлечения СОг может быть системой промывки растворителем, таким как амин, Селексол (диметиловый эфир полиэтиленгликоля) или другими известными растворителями, или извлечение осуществляется с помощью других средств, известных специалисту в данной области техники. Количество С02 благодаря добавлению секции КЧО становится максимальным для увеличения производства мочевины. Поток 107, полученный в результате удаления СОг, затем очищают в реакторе 70 метанирования, смешивают с потоком 108, сжимают в аппарате 80 и направляют в реактор 90 синтеза аммиака.
Настоящее изобретение позволяет увеличить на 10% общее образование диоксида углерода из смеси газов высокого давления, полученной с помощью способа согласно изобретению, в отличие от традиционной технологии парового риформинга (ПР). Удаление диоксида углерода из потока газа высокого давления, образованного в технологическом процессе, является намного более легким и менее дорогостоящим процессом, и, кроме того, не возникает проблемы масштабной сильной коррозии. При этом требования к обслуживанию и подводимой энергии значительно более низкие по сравнению с системами, предназначенными для удаления СОг из отходящего газа.
Водород получают из воздухоразделительной установки (ВРУ) 91, в которой, кроме того, получают поток 203 кислорода. В другом воплощении потоки 108 и 203 получают в различных ВРУ. В настоящем изобретении может быть использован любой способ синтеза аммиака. Наиболее общепринятый промышленный способ синтеза аммиака включает образование смеси, состоящей из газообразных азота и водорода в
молярном соотношении 1:3, плюс второстепенные компоненты, такие как СКЦ и СОг.
Настоящее изобретение обеспечивает увеличение производства мочевины, по меньшей мере, на 10%.
Полученный аммиак затем объединяют с аммиаком, отведенным из потока СО2, с образованием потока 106, и направляют в установку для производства мочевины. В настоящем изобретении может быть использован любой способ синтеза мочевины.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения аммиака, включающий стадии:
(a) обеспечения углеводородного сырья;
(b) проведения процесса каталитического частичного окисления (КЧО) указанного углеводородного сырья с получением газового потока КЧО, содержащего моноксид углерода, водород и диоксид углерода;
(c) обеспечения газового потока ПР, полученного путем парового риформинга (ПР) углеводородного сырья;
(d) проведения реакции сдвига фаз вода-газ (СВГ) в газовом потоке КЧО и газовом потоке ПР так, что моноксид углерода реагирует с водой с образованием газа СВГ, содержащего водород и диоксид углерода;
(e) подвергания отдельных газовых потоков стадии смешения до или после проведения реакции СВГ с получением смешанного газа СВГ;
(f) подвергания смешанного газа СВГ стадии обогащения водородом для того, чтобы получить поток, обогащенный водородом;
(g) реагирования обогащенного водородом потока с азотом в условиях образования аммиака с получением аммиака.
2. Способ по п.1, включающий стадию смешивания потоков газа КЧО и газа ПР для того, чтобы получить смешанный газ, и подвергание смешанного газа реакции СВГ.
3. Способ по п.1 или п.2, в котором смешанный синтетический газ содержит синтетический газ каталитического частичного окисления (поток КЧО) и синтетический газ парового риформинга (поток ПР) при соотношении потока КЧО и потока ПР, находящемся в интервале от 1,2 до 0,8 объем.%/объем.%.
4. Способ по п.З, в котором соотношение потока КЧО и потока ПР находится в интервале от 1,1 до 0,9 объем.%/объем.% и предпочтительно от 1,05 до 0,95 объем.%/ объем. %.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором углеводородное сырье, подвергаемое каталитическому частичному окислению на стадии (Ь), и углеводородное сырье подаваемое на стадии (с), является частями одного и того же разделенного на части углеводородного сырья, поступающего на стадию (а).
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором кислород, используемый в процессе каталитического частичного окисления, и азот, используемый в реакции образования аммиака, получают из воздухоразделительной установки.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором каталитическое частично окисление проводят при воздействии кислородсодержащего газового потока, содержащего, по
2.
меньшей мере, 40% кислорода, предпочтительно, по меньшей мере, 60% кислорода.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором кислородсодержащий газовый поток содержит кислород с чистотой от 90% до 100%.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором водород отделяют от реакционной смеси путем удаления СОг из газовой смеси, содержащей водород и диоксид углерода, для того, чтобы получить газовую смесь, обогащенную Н2.
10. Способ по п.9, включающий дополнительную очистку Н2 путем метанизации СО и С02.
11. Способ по п.9, в котором Н2 после удаления С02 очищают с помощью адсорбера, предназначенного для проведения адсорбции с перепадом давления (АПД), для получения потока чистого водорода и потока продувочного газа, при этом продувочный газ из адсорбера АПД направляют на рециркуляцию в реактор КЧО.
12. Способ получения мочевины, включающий способ получения аммиака по любому из пп.8-10 и реагирование аммиака с удаленным С02 в условиях образования мочевины.
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором углеводородное сырье выбирают из группы, включающей природный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ), нефтезаводской газ, нафту и смесь указанных веществ.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором соотношение кислорода и углерода при каталитическом частичном окислении находится в интервале от 0,3 до 0,7.
15. Способ по любому из пп.1-14, в котором сырой неочищенный газ, полученный при каталитическом частичном окислении, имеет температуру в интервале приблизительно от 900°С до 1200°С.
16. Способ по любому из пп.1-15, в котором газ КЧО сначала подвергают теплообмену с генерированием водяного пара и затем реакции СВГ, при этом полученный поток смешивают с газом СВГ, полученным в известном аппарате ПР.
17. Применение способа по любому из пп. 9-11 для увеличения производства мочевины при использовании существующего оборудования для производства мочевины.
18. Способ увеличения производства мочевины в существующем производстве мочевины, связанном с системой производства сингаза, содержащей паровой риформер (ПР), путем добавления в систему производства сингаза реактора каталитического частичного окисления (КЧО) параллельно паровому риформеру.
19. Способ по п. 18, в котором система получения сингаза дополнительно содержит автотермический реактор (АТР), а реактор КЧО добавляют в систему производства сингаза также параллельно автотермическому реактору.
8.
го го |_
I cx о о.
S О. С
rsl
A I
ч о о.
о. с:
1/3
1/3
1/3
1/3
2/3
2/3
2/3
2/3
3/3
3/3