NO160573B

NO160573B - Fremgangsmaate og anlegg for fjerning av metan og argon fra uren ammoniakksyntesegass.

Info

Publication number: NO160573B
Application number: NO834421A
Authority: NO
Inventors: Bernard Ramsey Bligh
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1989-01-23
Also published as: EP0113530B1; DE3371328D1; NO160573C; CA1221021A; US4549890A; EP0113530A3; NO834421L; GB2132328A; GB2132328B; EP0113530A2; GB8311579D0

Abstract

En fremgangsmåte for fjerning av metan og argon fra råanmoniakk syntesegass omfatter:. a) avkjøling av nevnte råammoniakk syntesegass i en varmeveksler; b) destillering av avkjølt råammoniakk syntesegass for å tilveiebringe renset ammoniakk syntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; c) ekspandering av den flytende fraksjon Inneholdende metan, argon og nitrogen; d) innføring av i det minste en del av væsken fra trinn c) til direkte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondensere en del av nevnte damp og tilveiebringe tilbakeløp for nevnte destillasjonskolonne under samtidig separering av nevnte væske i en flytende strøm anriket på metan og en gassformig strøm anriket på nitrogen; e) oppvarming av gasstrømmen fra trinn d); f) komprimering av i det minste en del av varmede gasstrøm fra trinn e) ; g) avkjøling av i det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra trinn f); h) ekspandering av i det minste en del av den avkjølte gasstrøm fra trinn g); og i) å føre ekspandert gasstrøm fra trinn h) gjennom nevnte varmeveksler.Fremgangsmåten gjennomføres i et anlegg som omfatter: a) en varmeveksler for avkjøling av råammoniakk syntesegass; b) en destillasjonskolonne for å destillere avkjølt råammoniakk syntesegass for i bruk å tilveiebringe renset ammoniakk syntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; c) midler for ekspandering av den flytende fraksjon Inneholdende metan, argon og nitrogen; d) midler for i bruk å bringe i det minste en del av vasken fra trinn c) i indirekte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondensere en del av dampen og tilveiebringe tilbakeløp for destlllasjonskolonnen under samtidig separering av væsken i en væskestrøm anriket på metan og en gasstrøm rik på nitrogen; e) midler for ved anvendelse å oppvarme i det minste en del av gasstrømmen fra trinn d); f) en kompressor for i bruk å konprimere den oppvarmede gasstrøm fra trinn e) g) midler for i praksis å avkjøle i det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra kompressoren; h) en ekspander for i praksis å ekspandere i det minste en del av avkjølt komprimert gasstrøm fra trinn g; og i) en rørledning for å føre ekspandert gass fra ekspanderen til varmeveksleren.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et anlegg for fjerning av metan og argon fra uren ammoniakksyntesegass.

Kommersielt syntetiseres ammoniakk ved å føre rå ammoniakksyntesegass (en blanding inneholdende i det vesentlige 3 mol hydrogen pr. mol nitrogen) gjennom en katalytisk reaktor. Gassen som forlater den katalytiske reaktor avkjøles for å kondensere produktammoniakk mens ikkeomsatt gass tilbakeføres til den katalytiske reaktor. Uheldigvis inneholder råammoniakksyntesegass også små mengder metan og argon som akkumuleres i systemet. Disse urenheter holdes generelt på akseptable nivåer ved kontinuerlig å fjerne endel av ikkeomsatt gass som spyling. Bortsett fra tapet av hydrogen og nitrogen ved spylingen har nærværet av argon og metan i den katalytiske reaktor en tendens til å inhibere den ønskede produksjon av ammoniakk.

For å redusere disse problemer er det i GB-PS 1 156 002 og 1 156 003 foreslått å fjerne deler av metan og argon fra råammoniakksyntesegassen ved å underkaste denne en lav-temperaturdestillasjon.

Uheldigvis blir i begge de foreslåtte systemer metan og argon fjernet sammen med en viss mengde nitrogen. For å kompensere for dette nitrogentap blir den opprinnelige råamoniakk-syntesegass anriket på nitrogen, slik at gassen som går igjennom den katalytiske reaktor har det nødvendige forhold mellom hydrogen og nitrogen. Karakteristisk vil nitrogen-volumet være slik at råammoniakksyntesegassen som opptrer i lavtemperatur destillasjonsenheten i GB-PS 1 156 002 og 1 156 003 inneholde mellom 35 og 45 volum-$6 nitrogen. I tillegg til det ekstra nødvendige nitrogen vil ekstra kompresjons-omkostninger påløpe ved kompresjon av ekstra nitrogen. I tillegg vil i det foreslåtte system noe av den avkjøling som er nødvendig oppnås ved ekspansjon av råammoniakksytesegass. Dette nødvendiggjør etterfølgende rekomprimering av renset ammoniakksyntesegass.

En gjenstand for i det minste foretrukne utførelsesformer i følge oppfinnelsen er å fjerne metan og argon fra råammoniakksyntesegass med mindre ulemper enn det den kjente teknikk medfører.

I henhold til dette tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fjerning av metan og argon fra uren ammoniakksyntesegass, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter: a) å tilveiebringe en uren ammoniakksyntesegass med 26-31 volum-Sé nitrogen; b) å avkjøle den urene ammoniakksyntesegass i en varmeveksler ; c) å destillere den avkjølte urene ammoniakksyntesegass for å tilveiebringe renset ammoniakksyntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; d) å ekspandere den flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; e) å innføre i det minste en del av væsken fra trinn d) til indirekte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondensere en del av dampen og å gi tilbakeløp for destlllasjonskolonnen med samtidig separering av væsken i en flytende metanrik strøm og en gassformig nitrogenrik strøm; f) å oppvarme den gassformige strøm fra trinn e); g) å komprimere i det minste en del av den oppvarmede gasstrøm fra trinn f); h) å avkjøle i det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra trinn g);

i) å ekspandere minst en del av den avkjølte gasstrøm fra

trinn h); og

J) å føre den ekspanderte gasstrøm fra trinn i) gjennom

varmeveksleren.

Karakteristisk inneholder råammoniakksyntesegassen mellom 26 og 31 volum-% nitrogen og mere spesielt mellom 26 og 3056 nitrogen, mens mellom 27 og 28$ nitrogen er foretrukket. Dette står i kontrast til den kjente teknikk der 35% er vanlig.

Fortrinnsvis gjennomføres trinnene e) og g) i den samme varmeveksler som trinnene a) og i) selv om de kan gjennom-føres i en separat og adskilt varmeveksler. I

Fortrinnsvis blir en del av den oppvarmede gass fra trinn e) komprimert og innført i nevnte råammoniakksyntesegass. Fortrinnsvis trer den avkjølte råammoniakksyntesegass inn i trinn b) helt og holdent i gassfase, fortrinnsvis ved eller ikke mer enn 10 grader over duggpunktet, og aller helst ved eller ikke mer enn 5 grader over duggpunktet.

Hvis ønskelig tilveiebringes en del av den avkjøling som er nødvendig for å oppnå destillasjonstrinnet b) ved den kondenserte del av den avkjølte gasstrøm fra trinn g).

Karakteristisk vil råammoniakksyntesegassen inneholde mer enn 2% (argon + metan) på volumbasis og den rensede ammoniakksyntesegass vil inneholde mindre enn 0,5 volum-# argon + metan.

Som nevnt ovenfor angår oppfinnelsen også et anlegg for fjerning av metan og argon fra råammoniakksyntesegass med 26-31 volum-# nitrogen, og dette anlegg karakteriseres ved at det omfatter: a) en varmeveksler for avkjøling av råammoniakksyntesegass; b) en destillasjonskolonne for å destillere avkjølt råammoniakksyntesegass for i bruk å tilveiebringe renset ammoniakksyntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; c) midler for ekspandering av den flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; d) midler for i bruk å bringe i det minste en del av væsken fra trinn d) i indirekte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondenssere en del av dampen og tilveiebringe tilbakeløp for destlllasjonskolonnen under samtidig separering av væsken i en væskestrøm anriket på metan og en gasstrøm rik på nitrogen; e) midler for ved anvendelse å oppvarme i det minste en del av gasstrømmen fra trinn e); f) en kompressor for i bruk å komprimere den oppvarmede gasstrøm fra trinn f); g) midler for i praksis å avkjøle i det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra kompressoren; h) en ekspander for i praksis å ekspandere i det minste e n del av avkjølt komprimert gasstrøm fra trinn h); og

i) en rørledning for å føre ekspandert gass fra ekspanderen

til varmeveksleren.

Fortrinnsvis består innretningene e) og g) av den samme varmeveksler.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen og for å vise hvordan denne kan gjennomføres i praksis skal det som et eksempel henvises til den ledsagende tegning der: Figur 1 er et forenklet flytskjema for en utførelsesform ifølge oppfinnelsen; og Figur 2 er et forenklet flytskjema av en andre utførelsesform av et anlegg ifølge oppfinnelsen.

Under henvisning til figur 1 blir fuktig råammoniakksyntesegass under et trykk på 29 bar abs ført gjennom rørledningen 11 og en av tørkerne 12 og 13 til rørledningen 14. Den blir deretter forenet med gass fra rørledning 55 og den kombinerte strøm føres gjennom rørledning 56 til varmeveksleren 15 der den avkjøles til -170°G og kondenseres partielt. Den resulterende væske-damp blanding føres gjennom rørledning 16 til destlllasjonskolonnen 18 som har en mellomliggende tilbakeløpskondensator 23 og en hovedtilbakeløpskondensator 22.

En væske inneholdende hovedmengden av metan i råammoniakksyntesegassen sammen med nitrogen og noe av det tilstede-værende argon i råammoniakksyntesegassen, forlater sumpen av destlllasjonskolonnen 18 gjennom rørledningen 19. Den trykkavlastes deretter ved ventilen 20 og den hovedsakelig flytende strøm som oppstår føres til beholderen 80 der den delvis fordampes for å gi en flytende strøm anriket på metan og en gasstrøm anriket på nitrogen.

Den flytende strøm anriket på metan forlater beholderen 80 gjennom rørledningen 26 og tilføres til beholderen 24 som omfatter den mellomliggende tilbakeløpskondensator 23. En del av den flytende strøm fordampes og den resulterende damp og væsken føres gjennom rørledningene 31 og 32 til varmeveksleren 15 der væsken fordampes. Fordampet væske og damp fra rørledning 31 oppvarmes deretter og forlater varmeveksleren 15 gjennom rørledningen 34 som metanrik brenngass.

Den gassformige strøm anriket på nitrogen forlater beholderen 80 gjennom rørledningen 25. Den blir deretter forenet med kald gass fra rørledningen 49 og den kombinerte strøm føres gjennom rørledningen 27 til varmeveksleren 15 der den bidrar til avkjøling av innkommende gass. Etter føring gjennom varmeveksleren 15 blir den oppvarmede strøm ført gjennom rørledningen 40. En mindre del av den oppvarmede strøm føres gjennom rørledningen 61 og varmere 62 til tørkerne 12 og 13 der den benyttes for å understøtte regenerering. Hoveddelen av den oppvarmede strøm føres gjennom rørledning 41 til kompressoren 42 der den komprimeres til ca. 6 bar abs. Den føres deretter gjennom rørledning 43 til vannkjøleren 44 som den forlater gjennom rørledning 45. Den komprimerte gasstrøm deles deretter i en første understrøm og en andre understrøm.

Den første understrøm passerer gjennom rørledning 51 til kompressoren 52. Etter komprimering føres gassen gjennom rørledningen 53 til vannkjøleren 54 og føres deretter gjennom rørledningen 55 for kombinering med innkommende råammoniakksyntesegass .

Den andre understrøm føres gjennom rørledningen 46 til varmeveksleren 15 der den avkjøles til ca. -143°C før den føres gjennom rørledningen 47 til ekspanderen 48 der den ekspanderes til 1,5 bar abs. Den kolde ekspanderte gass føres gjennom rørledningen 49 til forbindelsen med rørledning 25.

Renset syntesegass forlater toppen av destlllasjonskolonnen 18 gjennom rørledning 82. En del kondenseres i hoved-tilbakeløpskondensatoren 22 og den resulterende tofase-blanding separeres i faseseparatoren 83. Væske tilbakeføres fra separatoren 83 gjennom rørledning 28 mens dampen føres gjennom rørledning 29 til varmeveksleren 15 der den oppvarmes og hvorfra den trer ut gjennom rørledningen 30 som renset syntesegass.

Sammensetningen av de forskjellige strømmer er gitt i tabell 1.

Slik det fremgår av beskrivelsen i figur 1

blir råammoniakksyntesegassen som føres gjennom rørledning 16 partielt kondensert. I den utførelsesform som er vist er dette vesentlig. Det er imidlertid nu påvist at en bedre separering kan oppnås hvis råammoniakksyntesegassen trer inn i destlllasjonskolonnen i dampfasen ved en temperatur nær duggpunktet. En utførelsesform som beskriver dette trekk er vist i figur 2.

I det vesentlige blir uren tørr ammoniakksyntesegass ved 52,8 bar abs i rørledning 56' avkjølt til -160°C i varmeveksleren 15<*>. Gassen forlater varmeveksleren 2°C over duggpunktet (-162°C) og føres gjennom rørledning 16' til destlllasjonskolonnen 18' der det befinner seg en hoved-tilbakeløpskondensator 22'. En væske inneholdende meste-parten av det metan som er tilstede i råammoniakksyntesegassen sammen med noe nitrogen og argon, forlater sumpen i destlllasjonskolonnen 18' gjennom rørledningen 19'. Den trykkavlastes deretter i ventilen 35 og føres til separatoren 36 under et trykk på 20 bar abs. En hydrogenrik gass forlater separatoren 36 gjennom rørledningen 57 og etter oppvarming i varmeveksleren 15' og forlater anlegget gjennom rørledning 58. Den gjenværende væske forlater separatoren 36 gjennom rørledning 37 og underkjøles til ca. -174°C i varmeveksleren 38 før den trykkavlastes i ventilen 20' og tilføres til beholderen 80' der den partielt fordampes for å oppnå en væskestrøm anriket på metan og en gasstrøm anriket på nitrogen. Beholderen 80' inneholder en tilbakeløpskonden-sator 22'. Ytterligere flytende nitrogen tilføres til beholderen 80' og skal beskrives senere. ;Væskestrømmen som er anriket på metan forlater beholderen 80' gjennom rørledningen 26 og føres til varmeveksleren 15' der den fordampes før den forlater anlegget gjennom rørledning 34 som metanrik brenngass. ;Den gassformige anrikede på nitrogenstrøm forlater beholderen 80' gjennom rørledningen 25'. Den føres deretter gjennom varmeveksleren 38 og derfra gjennom rørledningen 39. Den forenes, deretter med kold gass fra rørledningen 49' og den kombinerte strøm føres gjennom rørledning 27' til varmeveksleren 15' der den understøtter avkjøling av innkommende gass. Etter føring gjennom varmeveksleren 15' føres den oppvarmede strøm gjennom rørledning 40'. En del av den oppvarmede strøm føres gjennom rørledning 61' til ikke viste råstofftørkere mens resten føres gjennom rørledning 41<*> til kompressoren 42' der den komprimeres til ca. 13 bar abs. Den føres deretter gjennom rørledning 43' til vannkjøleren 44' som den forlater gjennom rørledning 45'. Den avkjøles deretter til ca. -119'C i varmeveksleren 115' der den deles i en første understrøm og en andre understrøm.

Den første understrøm avkjøles og kondenseres i varmeveksleren 15'. Den kondenserte væske forlater varmeveksleren 15' gjennom rørledningen 63 og trykkavlastes i ventilen 64 før den trer inn i beholderen 80'. Den andre understrøm føres gjennom rørledningen 47' til ekspanderen 48' der den ekspanderes til ca. 2 bar abs. Den kolde ekspanderte gass føres gjennom rørledning 49 til forbindelsen med rørledning 39.

Renset syntesegass forlater toppen av destlllasjonskolonnen 18' gjennom rørledningen 82'. En del kondenseres i hoved-tilbakeløpskondensatoren 22' og den resulterende tofase-blanding separeres i faseseparatoren 83'. Væske tilbakeføres fra separatoren 83' gjennom rørledningen 28' mens dampen føres gjennom rørledningen 29' til varmeveksleren 15' der den oppvarmes og der den går ut gjennom rørledning 30' som renset syntesegass.

Sammensetningen for de forskjellige strømmer er gitt i tabell 2.

Den utførelsesform som er vist i figur 2 har vesentlige fordeler i forhold til den som er vist i figur 1. For det første er kompressoren 52 overflødig. For det andre inneholder den rensede syntesegass kun 0,01 mol metanurenheter sammenlignet med ca. 0, 23% metanurenheter i den første utførelsesform.

Mens råammoniakksyntesegassen i figur 2 avkjøles til 2°C over duggpunktet før tilføring til destlllasjonskolonnen 18' antas det at de gunstige virkninger som er beskrevet vil ha gyldighet over et heller bredt område av temperaturer, typisk fra duggpunktet til ca. 10°C derover. Imidlertid må man regne med å måtte avkjøle råammoniakksyntesegassen til mellom duggpunktet og 5°C derover og vanligvis til mellom 1 og 3°C derover.

Det skal være klart at den mellomliggende tilbakeløps-kondensator 23 som er vist i figur 1 er et eventualtrekk. En tilsvarende tilbakeløpskondensator 23 kan benyttes i den utførelsesform som er vist i figur 2 hvis dette er ønskelig. På samme måte er separatoren 36 og varmeveksleren 38 som vist i figur 2 eventuelle trekk. Slike trekk kan også anvendes i utførelsesformen ifølge figur 1.

Mens de foretrukne utførelsesformer som er beskrevet angår fuktig ammoniakksyntesegass ved 29 bar abs og 53 bar abs skal det være klart at fremgangsmåten virker for tilsvarende gasser mellom 24 bar abs og 70 bar abs.

Avhengig av de nøyaktige prosessbetingelser krever råammoniakksyntesegassen forbruk ifølge oppfinnelsen karakteristisk 26 til 31, fortrinnsvis 26 til 30 og helst 27 til 28 vol-5É nitrogen for å gi en renset ammoniakksyntesegass med det ønskede 3:1 forhold mellom hydrogen og nitrogen. I motsetning til dette krever de ovenfor nevnte britiske patenter en råammoniakksyntesegass med minst 30 vol-56 nitrogen og helst ca. 35# nitrogen. Kompresjonen for dette ytterligere nitrogen ifølge den kjente teknikk representerer en vesentlig omkostning.

Claims

1. Fremgangsmåte for fjerning av metan og argon fra uren ammoniakksyntesegass, karakterisert ved at den omfatter: a) å tilveiebringe en uren ammoniakksyntesegass med 26-31 volum-# nitrogen; b) å avkjøle den urene ammoniakksyntesegass 1 en varmeveksler ; c) å destillere den avkjølte urene ammoniakksyntesegass for å tilveiebringe renset ammoniakksyntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; d) å ekspandere den flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; e) å innføre i det minste en del av væsken fra trinn d) til indirekte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondensere en del av dampen og å gi tilbakeløp for destlllasjonskolonnen med samtidig separering av væsken i en flytende metanrik strøm og en gassformig nitrogenrik strøm; f) å oppvarme den gassformige strøm fra trinn e) ; g) å komprimere i det minste en del av den oppvarmede gasstrøm fra trinn f); h) å avkjøle 1 det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra trinn g); i) å ekspandere minst en del av den avkjølte gasstrøm fra trinn h); og j) å føre den ekspanderte gasstrøm fra trinn i) gjennom varmeveksleren.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnene f) og h), gjennomføres i den samme varmeveksler som trinnene b) og j).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den del av den oppvarmede gass fra f) komprimeres og tilføres til råammoniakksyntesegassen.

4. Fremgangsmåte ifølge de foregående krav, karakterisert ved at avkjølt råammoniakksyntesegass trer inn i trinn c) helt og holdent i gassformig tilstand.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den avkjølte råammoniakksyntesegass trer inn i trinn b) ved/eller ikke mer enn 10°C over duggpunktet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at den avkjølte råammoniakksyntesegass trer inn i trinn b) ved/eller ikke mer enn 5"C over duggpunktet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, 5 eller 6, karakterisert ved at en del av den avkjøling som er nødvendig for å oppnå destillasjonstrinnet c) tilveiebringes ved hjelp av en kondensert del av den avkjølte gasstrøm fra trinn h).

8. Anlegg for fjerning av metan og argon fra råammoniakksyntesegass med 26-31 vol-% nitrogen, karakterisert ved at det omfatter: a) en varmeveksler for avkjøling av råammoniakksyntesegass; b) en destillasjonskolonne for å destillere avkjølt råammoniakksyntesegass for i bruk å tilveiebringe renset ammoniakksyntesegass og en flytende fraksjon inneholdende metan, argon og nitrogen; c) midler for ekspandering av den flytende fraksjon Inneholdende metan, argon og nitrogen; d) midler for i bruk å bringe i det minste en del av væsken fra trinn d) i indirekte varmeveksling med dampen fra toppen av destlllasjonskolonnen for å kondensere en del av dampen og tilveiebringe tilbakeløp for destlllasjonskolonnen under samtidig separering av væsken i en væskestrøm anriket på metan og en gasstrøm rik på nitrogen; e) midler for ved anvendelse å oppvarme i det minste en del av gasstrømmen fra trinn e); f) en kompressor for i bruk å komprimere den oppvarmede gasstrøm fra trinn f); g) midler for i praksis å avkjøle i det minste en del av den komprimerte gasstrøm fra kompressoren; h) en ekspander for i praksis å ekspandere i det minste en del av avkjølt komprimert gasstrøm fra trinn h); og i) en rørledning for å føre ekspandert gass fra ekspanderen til varmeveksleren.

9. Anlegg ifølge krav 8,karakterisert ved at innretningene f) og h) omfatter nevnte varmeveksler.