PL155387B1

PL155387B1 - Method of isolating hydrogen, methane, nitrogen and argon from ammonia synthesis waste gases

Info

Publication number: PL155387B1
Application number: PL27006888A
Authority: PL
Inventors: Witoslaw Jerzyk
Original assignee: Zaklady Azotowe Kedzierzyn
Priority date: 1988-01-07
Filing date: 1988-01-07
Publication date: 1991-11-29
Also published as: PL270068A1

Description

OPIS PATENTOWY

155 387

URZĄD

PATENTOWY

RP

Patent dodatkowy do patentu nr--Zgłoszono: 88 01 07 (P. 270068)

Pierwszeństwo lnt. Cl.⁵ C01B 3/50 C01C 1/04

Zgłoszenie ogłoszono: 89 08 21

Opis patentowy opublikowano: 1992 02 28

Twórca wynalazku: Witosław Jerzyk

Uprawniony z patentu: Zakłady Azotowe Kędzierzyn, Kędzierzyn-Koźle (Polska)

SPOSÓB WYDZIELANIA WODORU, METANU, AZOTU I ARGONU Z GAZÓW ODPUSZCZANYCH Z SYNTEZY AMONIAKU

Przedmiotem wynalazku jest sposób wydzżelania wodoru, metanu, azotu i argonu z gazów odpuszczanych z syntezy amoniaku.

Przygotowanie mieszanki wodoroww-azotowej do syntezy amoniaku ma na celu otrzymanie, możliwie czystej sprężonej do ciśnienia procesu syntezy, mieszaniny wodoru i azotu w stosunku molowym około H2 : N₂ = 3 : 1. Jednakże obróbka technologiczna klasycznego obecnie surowca do produkcji amoniaku (gazu ziemnego), prowadzi zawsze do większego lub mniejszego zanieczyszczania mieszanki syntezowej inertami, w tym przede wszystkim argonem i metanem.

Praktycznie technologia obróbki gazu ziemnego do mieszaniny azotowo-wodorowej prowadzi do zanieczyszczania jej argonem i metanem w około 0,5 - 1,8¾ objętościowych. WpΓowadzenie do obie gu syntezy amoniaku mieszanki syntezowej (H_? : N? = 3 : 1) zanieczyszczonej metanem i argonem w liościacn 0,8 - 1,6¾ objętościwwycn pow^(^i^.je zanieczyszczanie gazu obiegowego syntezy metanem i argonem do około 10 - 20% objętościowych. Taka ilość zanieczyszczeń w gazie syntezowym ma negatywny wpływ na wskaźniki energetyczne instalacji syntezy amoniaku.

Istnieje więc konieczność odpuszczania inertów z gazu obiegowego syntezy amonńaku. Łączna ilość odpuszczanych z obiegu syntezy inertów musi być w jednostce czasu taka sama jak ilość wprowadzanych inertów do obiegu ze świeżą mieszankę syntezową. Średnio wydmuuhuje się z instalacji syntezy amoniaku około 8% objętiściowych mieszanki syntezowej w postaci purge gazu, pogarszajęc wyniki produkcyjne wytworni amonńaku. Powwtaje zatem problem utylizacji purge gazu, ponieważ ilość składników reaktywnych (wodoru i azotu) w wydmuchiwanym purge gazie z jednostki syntezy wynosi około 5% zdolności produkcyjnej instalacji. Problem utylizacji purge gazu należy obecnie rozpatrywać w kategoriach najbardziej optymalnej technologicznie i ekonomicznie metodzie odzysku poszczególnych jego składników. Głównym probl^em jest odzysk wodoru, którego jest w purge gazie około 60% objętoś^c^^wych.

155 387

Najprostsze znane metody utylizacji purge gazu polegały na przeznaczeniu go do spalania z wykorzystaniem ciepła spalania do celów grzewczych lub do potrzeb ogólnych w procesie technologicznym.

Inną znaną metodą utylizacji purge gazu, a szczególnie zawartego w nim wodoru, jest wydzielanie z purge gazu wodoru na sitach molekularnych. Instalacja składa się najczęściej z czterech lub pięciu adsorberów i umożliwia odzysk około 80 - 95¾ wodoru zawartego w purge gazie. Jest to instalacja ciśnieniowa. Metoda firmy Monsanto oparta jest na wykorzystaniu zjawiska przenikania (dyfuzji) drobnych molekuł gazu (wodoru) przez membrany (włókna) półprzepuszczalne. Umożliwia ona rozdzielenie strumienia gazu na dwie części, to jest gazu lekkiego (wodoru) i strumień gazu wzbogaconego w ciężkie składniki. Siłę napędową procesu przenikania składników gazu surowego przez włókna półprzepuszczalne jest różnica ciśnień parcjalnych składników gazu z obu stron membrany. Membranami są specjalnie dobrane drążone włókna montowane w zwarte wiązki zabudowane w zbiornikach ciśnieniowych w formie separatora. Sprężony gaz przechodzi przez separator a wodór selektywnie przenika przez ścianki włókien do ich drążonego środka redukując przy tym swoje ciśnienie i odprowadzany jest z dołu separatora. Pozostały gaz przepływa do góry separatora zachowując to samo ciśnienie.

Kolejnym znanym sposobem utylizacji purge gazu odpuszczanego z procesu syntezy amoniaku, jest niskotemperaturowe wykroplenie składników purge gazu z wyjątkiem wodoru. Purge gaz odpuszczany z instalacji syntezy amoniaku po rozprężeniu kierowany jest najpierw do instalacji wymywania amoniaku do około 1 ppm. Odmyty od amoniaku purge gaz kierowany jest następnie do instalacji osuszania, gdzie na złożu adsorpcyjnym (alużel, sita molekularne) usuwana jest z niego wilgoć do poziomu punktu rosy około -60*C. Odmyty od amoniaku i osuszony purge gaz pod ciśnieniem 1,6 - 2,5 MPa kierowany jest do aparatu argonowego pracującego według technologii niskotemperaturowego rozfrakcjonowania skroplonego purge gazu. Aparat argonowy składa się z wymienników zimna i kolumny separatora do rozdziału skroplonych składników purge gazu i gazowego wodoru. Otrzymany wodór kieruje się do sprężarki gazu syntezowego i dalej do instalacji syntezy amoniaku. Technologia ta pozwala odzyskać z purge gazu (wydmuchiwanego gazu syntezowego) około 95¾ wodoru. Optymalny skład odzyskanego wodoru to 91¾ H?, 8,0¾ Nj i Ar ♦ CH^ około 1¾. Gaz resztkowy, po wydzielonym wodorze, zawiera metan, argon i azot i jest kierowany do spalania. Jest to metoda utylizacji odpuszczanego gazu syntezowego stosowana przez firmę Petrocarbon.

Celem wynalazku jest wydzielanie wodoru, metanu i azotu, a szczególnie argonu z gazu syntezowego odpuszczanego w wytwórniach syntezy amoniaku opartych o proces powietrzno-parowego reformingu surowca (gazu ziemnego), to jest w tych wytwórniach, w których do procesu technologicznego produkcji amoniaku nie używa się czystego azotu pochodzącego z niskotemperaturowego rozfrakcjonowania powietrza.

Sposób według wynalazku polega na tym, że gaz syntezowy, odpuszczany z instalacji syntezy amoniaku, po odmyciu amoniaku i osuszeniu kierowany jest do niskotemperaturowego rozdziału na wodór, metan, azot i argon.

Instalacja niskotemperaturowego rozdziału gazu (aparat argonowy) składa się z wymienniKów zimna, z trzech kolumn oraz obiegu zi.mnotwórczego.

Gaz syntezowy odpuszczany z syntezy amoniaku jest schładzany przeponowo w wymienniku zimna od strumieni wodoru, metanu i azotu, opuszczających instalację niskotemperaturowego rozdziału gazu i jest następnie kierowany do pierwszej kolumny, gdzie w temperaturze około - 190’C następuje wydzielenie ze skroplonego gazu wodoru i częściowo azotu. Odpuszczana z góry kolumny mieszanina wodorowo-azotowa, po przejściu przez wymiennik zimna, kierowana jest bezpośrednio po sprężeniu do instalacji syntezy amoniaku. Skroplona ciecz w pierwszej kolumnie kierowana jest do drugiej kolumny, w której zachodzi rozdział na ciekły metan i gazową mieszaninę azotowo-argonową kierowaną do trzeciej kolumny. Ciekły metan o czystości 90-96¾ objętościowych odprowadzany jest z dołu drugiej kolumny i może być kierowany do gazu ziemnego do reformingu. Mieszanina gazu azotowo-argonowa w trzeciej kolumnie ulega skropleniu na ciekły argon o czyś155 387 tości 99,99% objętościowych i gazowy azot lub mieszaninę azotu i argonu, która jest odprowadzana do obiegu zimnotwórczego azotu, a częściowo do wymiennika zimna do schłodzenia wprowadzanego gazu odpuszczanego z syntezy amoniaku. Azot po przejściu przez wymienniki i sprężeniu do 10,0 - 20,0 MPa stanowi czynnik zimnotwdrczy całego procesu rozdziału gazu syntezowego na wodór, metan, azot i argon. Otrzymany azot z niskotemperaturowego rozdziału gazu może byó stosowany również do regeneracji złoża adsorpcyjnego w węźle osuszania odpuszczanego gazu syntezowego .

Główną zaletę niskotemperaturowego rozdziału gazu jest pełna utylizacja wszystkich jego składników oraz produkcja beztlenowego argonu. Otrzymany argon nie zawiera tlenu i stęd jego konkurencyjność w stosunku do argonu otrzymanego z niskotemperaturowego rozfrakcjonowania powietrza, który zawiera zawsze relatywnie dużo tlenu. Tlen z argonu musi byó zawsze usuwany poprzez spalanie zatlenionego argonu w wodorze otrzymanym najczęściej z elektrolizy wody.

Następną zaletę sposobu według wynalazku jest umożliwienie realizacji technologicznej aparatu argonowego w wytwórniach amoniaku, w których do procesu wytwórczego nie używa się azotu, a w wytwórniach, w których używa się azot, względne uniezależnienie pracy aparatu argonowego od pracy tlenowni.

Sposób wydzielania wodoru, metanu, azotu i argonu z gazu syntezowego odpuszczanego z syntezy amoniaku według wynalazku uwidoczniony jest na rysunku fig.l, przedstawiającym schemat ideowy instalacji. Strumień gazu syntezowego odmytego od amoniaku do około 1 ppm NHj i osuszonego do około 20 ppm Η?0 wchodzi do wymiennika zimna 4 i schładza się przeponowo od strumienia wodoru, metanu i azotu opuszczających instalację niskotemperaturowego rozdziału gazu. Następnie wchodzi do kolumny 1, w której następuje oddzielenie gazowego wodoru od skroplonych pozostałych składników purge gazu. Strumień gazowego wodoru odprowadzany jest ze szczytu kolumny 1 do wymiennika zimna 4, w którym ogrzewa się od strumienia wprowadzanego purge gazu a następnie kierowany jest na zewnątrz do instalacji syntezy amoniaku.

Skroplona ciecz kubowa zawierająca metan, argon i azot kierowana jest do drugiej kolumny 2, tak zwanej kolumny metanowej, w której zachodzi rozdział na ciekły metan zbierający się w kubie kolumny 2 i gazową mieszaninę azotowo-argonową. Strumień ciekłego metanu Z kolumny 2 odprowadzany jest do wymiennika zimna 4, gdzie ogrzewa się od strumienia purge gazu i z wymiennika zimna 4 kierowany jest na zewnątrz instalacji. Gazowa mieszanina azotowo-argonowa ze szczytu kolumny 2 kierowana jest do kolumny 3, tak zwanej kolumny argonowej, w której zachodzi rozdział na ciekły argon zbierany w kubie kolumny i gazowy azot odbierany ze szczytu kolumny 2. Ciekł argon z kuba kolumny 2 odprowadzany jest jako produkt. Wydzielony azot ze szczytu kolumny 3 łączony jest z azotem obiegowym (czynnikiem zimnotwórczym) i poprzez wymiennik zimna 5 i wymienniki 6 i 7 kierowany jest na ssanie sprężarki 10 azotu obiegowego w obiegu zimnotwórczym. Część azotu oddawana jest z obiegu zimnotwórczego do wymiennika zimna 4 do oziębienia purge gazu. Niskie temperatury potrzebne do procesu technologicznego rozdziału gazu syntezowego otrzymywane są w obiegu zimnotwórczym typu sprężarkowego, dla którego nośnikiem zimna jest azot. Sprężony azot schładza się w wymienniku 7 i 6. Część azotu 9 po wymienniku 7 kierowana jest do rozpręzarki, w której odzyskuje się energię, a zimny azot 8 z rozprężarki kierowany jest do wymiennika 6 i 7, gdzie przeponowo schładza się sprężony azot 11. Ochłodzony sprężony azot 11 ulega rozprężeniu do ciśnienia pośredniego ulegając skropleniu i kierowany jest do skraplacza kolumny 2. Ze skraplacza kolumny 2 ciekły azot kierowany jest do skraplacza kolumny 1 oraz do kolumny 3 do skraplacza lub jako orosienie. Azot ze skraplacza kolumny 1 oraz odzyskany azot ze szczytu kolumny 3 poprzez wymiennik zimna 5 oraz wymienniki 6 i 7 kierowany jest na ssanie sprężarki 10 do azotu obiegowego. Część azotu niskociśnieniowego poprzez wymiennik zimna 4 oddawana jest jako produkt.

155 587

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wydzielania wodoru, metanu, azotu i argonu z gazów odpuszczanych z syntezy amoniaku, a szczególnie z wytwórni syntezy amoniaku opartych o proces powietrzno-parowego reformingu surowca polegający na odmyciu z amoniaku i - osuszeniu odpuszczanego gazu syntezowego a następnie na niskotemperaturowym rozdzieleniu skroplonego gazu w aparacie argonowym na wodór, metan, azot i argon, znamienny tym, Ze odpuszczone gazy syntezowe są schładzane w wymienniku zimna oddając swoje ciepło dla wodoru, metanu 1 azotu opuszczających proces nisko temperaturowego rozdziału, po czym kierowane są do pierwszej kolumny, w której wydzielony zostaje gazowy wodór i częściowo azot i z której frakcja gazowa wyprowadzana jest do wymiennika zimna, a frakcja ciekła wprowadzana jest do drugiej kolumny, w której wydziela się ciekły metan i gazowa mieszanina azotowo-argonowa, która następnie kierowana jest do trzeciej kolumny do rozdziału na ciekły argon i gazowy azot, który łączony jest z azotem obiegowym procesu niskotemperaturowego rozdziału i po przejściu przez wymienniki zimna i sprężarki stanowi czynnik zimnotwórczy całego procesu rozdziału gazu na wodór, metan, azot 1 argon.
2. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, Ze w trzeciej kolumnie wydziela się argon o czystości 99,99% objętościowych.
3. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, Ze wodór lub mieszanina azotowo-wodorowa ze szczytu pierwszej kolumny po ogrzaniu się w wymienniku zimna, kierowana jest do instalacji syntezy amoniaku.
4. Sposób według zastrz.l, znamienny tym. Ze metan z drugiej kolumny po odebraniu ciepła od wprowadzanego gazu syntezowego kierowany jest do gazu ziemnego do reformingu .
5. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, Ze część odzyskanego w procesie azotu kierowana jest poprzez wymiennik zimna do schłodzenia doprowadzanego gazu syntezowego.
6. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, Ze otrzymany azot kieruje się do regeneracji złoZa adsorpcyjnego w węźle osuszania gazu syntezowego.

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 ep.

Cena 3000 zł