專利名稱：烴類蒸汽串聯(lián)轉(zhuǎn)化新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種烴類蒸汽串聯(lián)轉(zhuǎn)化新工藝，屬于烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫或氫氮?dú)獾墓に囘^(guò)程。
由烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫或氫氮?dú)獾膫鹘y(tǒng)工藝有間歇烴類蒸汽轉(zhuǎn)化工藝(C.C.R工藝)，部份氧化工藝和管外燃燒供熱轉(zhuǎn)化工藝等，其共同的缺陷是經(jīng)轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化后的高溫工藝氣直接去廢熱鍋爐，高位能量未能得到合理地利用。八十年代后期，英國(guó)I.C.I公司開(kāi)發(fā)了L.C.A工藝，它與傳統(tǒng)的合成氨工藝的區(qū)別特征是用二段轉(zhuǎn)化爐的工藝熱量供給一段蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的能量。但由于在氨合成過(guò)程中要求按化學(xué)計(jì)量的氫氮化，而從二段轉(zhuǎn)化爐所產(chǎn)生的可利用熱量不足以推動(dòng)一段轉(zhuǎn)化過(guò)程。I.C.I公司解決這一問(wèn)題的方法是將一段爐相當(dāng)大的一部份轉(zhuǎn)化負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段爐，并將其超過(guò)化學(xué)計(jì)量比的過(guò)量氮?dú)廪D(zhuǎn)移到變壓吸附(PSA)系統(tǒng)。此后，蘇聯(lián)采用另一種方法同樣達(dá)到了這一目的，即用氧或富氧空氣也可使較大比例的轉(zhuǎn)化負(fù)荷移入二段轉(zhuǎn)化但不破壞合成氣的氫氮比，只是需要增設(shè)一套空分裝置。(《Nitrogen》(179)May/June1989)。另外，美國(guó)D.B.Crawford等人采用的方法，是將原料烴分成二股或三股支流進(jìn)行一段轉(zhuǎn)化。在常用的一段爐外，并聯(lián)一臺(tái)換熱式反應(yīng)器進(jìn)行第二股氣的一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由二段爐出口氣提供。在分成三股支流的情況下，第三股支流去設(shè)于一段爐對(duì)流段中的轉(zhuǎn)化管內(nèi)轉(zhuǎn)化，各股支流進(jìn)行部份轉(zhuǎn)化后再合并進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化，即并聯(lián)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝(US407917)。
本發(fā)明在于充分利用合成氨廠的現(xiàn)有設(shè)備，并對(duì)烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法的一段轉(zhuǎn)化過(guò)程作進(jìn)一步改進(jìn)，以及更有效地回收利用工藝過(guò)程中的熱量，以達(dá)到節(jié)約能源，減少投資，簡(jiǎn)化工藝流程，易于調(diào)節(jié)控制和尤其適用于C.C.R合成氨廠改造的目的。
本發(fā)明是將原料烴和蒸汽預(yù)熱后進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐，在管間由來(lái)自二段轉(zhuǎn)化爐的氣體進(jìn)行間接換熱，當(dāng)烴轉(zhuǎn)化到一定程度后，進(jìn)入管外燃燒式中間轉(zhuǎn)化爐進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，然后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，即采用換熱式一段轉(zhuǎn)化爐與管外燃燒式中間轉(zhuǎn)化爐串聯(lián)進(jìn)行烴類蒸汽的一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
自一段轉(zhuǎn)化爐管間出口的二段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)工藝原料氣/轉(zhuǎn)化氣換熱器將熱量傳遞給工藝原料氣后，進(jìn)入中溫變換和低溫變換爐，發(fā)生一氧化碳變換成氫和二氧化碳的反應(yīng)，再經(jīng)冷卻后進(jìn)入后繼工序。在中、低溫變換爐前均設(shè)有轉(zhuǎn)化氣和/或變換氣廢熱鍋爐等熱量回收裝置，并副產(chǎn)蒸汽。
本發(fā)明的管外燃燒供熱式中間轉(zhuǎn)化爐可包括一個(gè)輻射段和一個(gè)或多個(gè)對(duì)流段。
附圖
一為烴類蒸汽串聯(lián)轉(zhuǎn)化新工藝流程圖。
本發(fā)明是將原料烴經(jīng)管線1通至壓縮機(jī)2經(jīng)壓縮至500～8000KPa后與來(lái)自管線3的返氫氣(來(lái)自后繼合成工序的新鮮氣)混合，經(jīng)管線4進(jìn)入中間轉(zhuǎn)化爐19對(duì)流段內(nèi)的原料烴預(yù)熱盤管5，預(yù)熱至250～430℃，最好為400℃左右。氣態(tài)原料烴經(jīng)管線6進(jìn)入加氫脫硫反應(yīng)器7以除去對(duì)后繼工序有害的硫，反應(yīng)器內(nèi)裝有催化劑。經(jīng)脫硫后的氣體由管線8流出并與來(lái)自管線9的水蒸汽(壓力500～8000KPa)混合即為工藝原料氣，經(jīng)管線10進(jìn)入工藝原料氣/轉(zhuǎn)化氣換熱器11，使溫度升至400～600℃，經(jīng)管線12進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐13的轉(zhuǎn)化管14，管內(nèi)裝有催化劑，借助于管間二段爐轉(zhuǎn)化出口氣提供的熱量，原料烴與水蒸汽發(fā)生轉(zhuǎn)化成氫的反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，即出口溫度為500～800℃時(shí)，經(jīng)管線15進(jìn)入中間轉(zhuǎn)化爐19輻射段內(nèi)的轉(zhuǎn)化管16，管內(nèi)裝有催化劑，管外由來(lái)自燃料管線50的燃料(天然氣或與馳氣的混合氣)，通過(guò)安裝于中間轉(zhuǎn)化爐19的頂部或底部或各側(cè)面或梯臺(tái)上的燒嘴燃燒后放出的熱量，以使管內(nèi)原料氣繼續(xù)轉(zhuǎn)化，當(dāng)出口溫度達(dá)到600～850℃，殘余甲烷(CH4)含量約為10%(干基)時(shí)，氣體經(jīng)管線17進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐18，二段爐內(nèi)裝有催化劑。另一股空氣經(jīng)管線20進(jìn)入壓縮機(jī)21壓縮至500～8000KPa后與來(lái)自23的水蒸汽混合，經(jīng)管線24進(jìn)入中間轉(zhuǎn)化爐19對(duì)流段內(nèi)的盤管25，預(yù)熱至200～810℃，最好為500℃左右，經(jīng)管線26進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐18與來(lái)自管線17的氣體混合，在二段爐內(nèi)發(fā)生氫和氧的燃燒反應(yīng)及甲烷和水蒸汽的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，即出口溫度為800～1100℃時(shí)，最好為900～1000℃，二段轉(zhuǎn)化出口氣經(jīng)管線27進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐的管間，將高位熱量傳遞給一段轉(zhuǎn)化管內(nèi)的反應(yīng)氣體，當(dāng)溫度降至500～700℃時(shí)，經(jīng)管線28進(jìn)入工藝原料氣/轉(zhuǎn)化氣換熱器11，將熱量再傳遞給工藝原料氣后經(jīng)管線29進(jìn)入轉(zhuǎn)化氣廢鍋30，以副產(chǎn)蒸汽進(jìn)一步回收轉(zhuǎn)化氣中熱量，當(dāng)溫度降至180～400℃時(shí)經(jīng)管線31進(jìn)入中溫變換爐32，中溫變換爐內(nèi)裝有催化劑，在爐內(nèi)一氧化碳與水蒸汽發(fā)生變換成氫和二氧化碳的反應(yīng)，當(dāng)一氧化碳含量為1～5%(干基)時(shí)，經(jīng)管線33進(jìn)入變換氣廢鍋34，以副產(chǎn)蒸汽回收變換氣中的廢熱，所產(chǎn)蒸汽與轉(zhuǎn)化氣廢鍋30所產(chǎn)的蒸汽一道經(jīng)汽包48分離后進(jìn)入管線49。當(dāng)變換氣的溫度降至180～380℃時(shí)經(jīng)管線35進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器36，進(jìn)一步回收熱量，再經(jīng)管線37進(jìn)入低溫變換爐38，低溫變換爐內(nèi)裝有催化劑，在爐內(nèi)一氧化碳與水蒸汽進(jìn)一步發(fā)生變換成氫和二氧化碳的反應(yīng)，當(dāng)變換到一定程度后，即出口殘余一氧化碳含量降至0.1～1%(干基)時(shí)，經(jīng)管線39進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器40以回收變換氣中的廢熱后經(jīng)管線41進(jìn)入水冷器42，經(jīng)冷卻至40℃左右，經(jīng)管線43進(jìn)入后繼工序。
在中間轉(zhuǎn)化爐19的對(duì)流段內(nèi)還設(shè)有一組廢熱鍋爐盤管46，來(lái)自管線45的鍋爐給水進(jìn)入廢鍋46，經(jīng)回收煙氣中的熱量后由管線47進(jìn)入汽包，經(jīng)汽包分離后由管線44進(jìn)入本系統(tǒng)，以維持合成氨廠的蒸汽平衡。
本發(fā)明的構(gòu)思主要是基于小型合成氨廠的具體情況而提出來(lái)的，它具有下述特點(diǎn)。
1.能耗低本發(fā)明優(yōu)于外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，利用二段轉(zhuǎn)化氣的高位熱能來(lái)加熱一段轉(zhuǎn)化氣，不僅避免了因副產(chǎn)蒸汽過(guò)多不能充分利用的缺陷(一般單一產(chǎn)品的工廠難以找到蒸汽出路)，而且減少了一段爐煙氣排放量和熱損失。
本發(fā)明也優(yōu)于換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和部分氧化工藝，不需要耗純氧(或富氧)，從而節(jié)省了制氧裝置所消耗的電力，(VPSA制氧裝置及其氧加壓電耗約為0.7KWh/Nm302)。此外，本發(fā)明的中間轉(zhuǎn)化爐能將合成系統(tǒng)的全部弛放氣與天然氣混燒，從而合成氨系統(tǒng)無(wú)弛放氣輸出。而換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和部分氧化工藝的加熱爐由于其熱負(fù)荷小，弛放氣熱值低，而被加熱物料溫度較高，則只能將部分弛放氣與天然氣混燒(約50%弛放氣)，其余的弛放氣需由氣柜貯存送出合成氨系統(tǒng)外加以利用。因此，若用本發(fā)明改造C.C.R小廠，則合成氨裝置無(wú)論氣耗(原料天然氣+燃料天然氣)和電耗都是最低的，其綜合能耗也是最低的。
2.投資省如用本發(fā)明改造C.C.R合成氨廠時(shí)，選擇的轉(zhuǎn)化壓力可與工廠原有中，低溫變換爐相匹配，以利用工廠現(xiàn)有的中、低溫變換爐及后繼工序的設(shè)備，從而可降低投資約100萬(wàn)元。
本發(fā)明的換熱式一段轉(zhuǎn)化爐加上一臺(tái)加熱爐，其投資約125萬(wàn)元，而外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的一段轉(zhuǎn)化爐投資一般為250萬(wàn)元，且轉(zhuǎn)化氣廢鍋的換熱管一般為18/8不銹鋼，其投資也大于本發(fā)明的轉(zhuǎn)化氣廢鍋。兩者其它部分的投資基相當(dāng)，故本發(fā)明可節(jié)省投資約100萬(wàn)元。
與換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和部分氧化工藝相比，由于本發(fā)明由于不需要昂貴的空分裝置，故可節(jié)省投資約150萬(wàn)元。
本發(fā)明與并聯(lián)轉(zhuǎn)化工藝比，由于并聯(lián)轉(zhuǎn)化工藝的一段爐轉(zhuǎn)化管的長(zhǎng)度比前者的中間轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管為長(zhǎng)，且熱膨脹效應(yīng)大，爐子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其投資高10～30%。
3.風(fēng)險(xiǎn)小本發(fā)明的中間轉(zhuǎn)化爐與二段爐的組合即為外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的流程，換言之，即使換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出故障，該工藝過(guò)程也能維持生產(chǎn)。本發(fā)明還克服了外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝過(guò)程中轉(zhuǎn)化氣廢鍋容易燒壞的弊病。
換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化和部分氧化工藝都采用VPSA制氧裝置，而該裝置目前尚無(wú)相當(dāng)規(guī)模的工業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)裝置的經(jīng)驗(yàn)，故其風(fēng)險(xiǎn)較大。雖可用傳統(tǒng)的深冷空分代替VPSA空分，但將大大增加投資和電耗，而本發(fā)明不存在這一風(fēng)險(xiǎn)。
特別是換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的二段轉(zhuǎn)化爐不同于常規(guī)的二段爐，由于加入富氧，二段爐的溫度增加到1500℃以上，在此溫度下尚無(wú)混合器和催化劑能適應(yīng)的例子，從一般的工程經(jīng)驗(yàn)知道，在此高溫下二段爐難以操作。雖可在二段爐的空氣中配入蒸汽以降低溫度，但蒸汽的加入量約為總工藝蒸汽量的40%才能將此溫度降到常規(guī)二段爐的操作狀態(tài)，這樣將大大增加系統(tǒng)的蒸汽耗量，即增加天然氣耗量。而本發(fā)明的二段爐為常規(guī)的二段爐，基本無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。
4.設(shè)備制造、安裝難度小外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的一段爐所需材料的規(guī)格品種繁多，施工難度大，施工周期長(zhǎng)，尤其是現(xiàn)場(chǎng)工作量大，其轉(zhuǎn)化管必須用離心澆鑄管。而本發(fā)明的換熱式一段轉(zhuǎn)化爐制造簡(jiǎn)單，安裝方便，占地少，小廠改造不需另外征地，轉(zhuǎn)化管可用軋制管。本發(fā)明的中間轉(zhuǎn)化爐不同于傳統(tǒng)的一段爐，它不需要很長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化管，且可用大、中型廠更換下來(lái)的舊管代替。
換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和部分氧化工藝的空分裝置調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)復(fù)雜，易損壞，制造難度大以及分子篩易破碎粉化，且施工安裝工程量較大，而本發(fā)明不需要空分裝置。
5.投資效益好本發(fā)明的投資回收期約2.01年(包括建設(shè)期)，這是外熱式蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，換熱式富氧蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和部分氧化工藝都難以達(dá)到的指標(biāo)。
綜上所述，本發(fā)明是一項(xiàng)適合于小型合成氨廠推廣應(yīng)用的工藝技術(shù)，特別是用于C.C.R合成氨廠造氣系統(tǒng)的改造尤為合理。采用本發(fā)明生產(chǎn)每噸合成氨可節(jié)能1.2～17.6×106KJ，并可節(jié)省造氣系統(tǒng)投資10～30%。
本發(fā)明也可用于合成甲醇生產(chǎn)及造氣系統(tǒng)的改造。
實(shí)施例60kmol/h，壓力為1100KPa的天然氣進(jìn)入管線4并在中間轉(zhuǎn)化爐19對(duì)流段內(nèi)預(yù)熱至410℃，然后由管線6進(jìn)入加氫脫硫反應(yīng)器7，脫硫后氣體由管線8與來(lái)自管線9的約3400Kg/h蒸汽混合，并調(diào)節(jié)水碳比為2.7即為工藝原料氣，經(jīng)營(yíng)線10進(jìn)入轉(zhuǎn)化氣/工藝原料氣換熱器11，經(jīng)加熱至500℃后由管線12進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐13，出轉(zhuǎn)化爐13的氣體溫度為680℃，CH4含量降至30%(干基)，經(jīng)管線15進(jìn)入中間轉(zhuǎn)化爐19輻射段的轉(zhuǎn)化管16內(nèi)，管外由管線50提供的燃料天然氣和弛放氣(約為30kmol/h)燃燒供熱，出轉(zhuǎn)化管16的氣體溫度為760℃，CH4含量10%(干基)，經(jīng)管線17進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐18。另一股來(lái)自管線20的空氣100Kmol/h，經(jīng)空壓機(jī)壓縮至1.05MPa后配入少量蒸汽，在中間轉(zhuǎn)化爐19對(duì)流段內(nèi)盤管25中預(yù)熱至510℃，經(jīng)管線26進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐并與來(lái)自管線17的氣體混合，二段爐出口氣體溫度為960℃，CH4含量0.5%(干基)，流量為7500Kg/h，經(jīng)管線27通入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐13，以提供轉(zhuǎn)化管14中烴進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要的熱量。放熱后溫度約600℃的氣體經(jīng)管線28引入換熱器11，氣體將熱量傳給由管線10來(lái)的原料氣，經(jīng)進(jìn)一步冷卻后的氣體由管線29引入轉(zhuǎn)化氣廢鍋30進(jìn)一步降低溫度至355℃，然后進(jìn)入中溫變換爐32(中變爐為工廠原有設(shè)備)，在中變爐內(nèi)進(jìn)行一氧化碳與水蒸汽的變換反應(yīng)，使其出口殘余CO含量達(dá)到3.5%(干基)，中變氣進(jìn)入變換氣廢鍋34以回收熱量，然后經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器36進(jìn)一步冷卻至190℃ 時(shí)進(jìn)入低溫變換爐38(低變爐為工廠原有設(shè)備)，在低變爐內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生一氧化碳和水蒸汽的變換反應(yīng)，使其出口殘余CO含量降到0.3%(干基)后依次經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器和水冷卻至40℃，進(jìn)入后繼的碳化工序。
權(quán)利要求
1.一種烴類蒸汽串聯(lián)轉(zhuǎn)化新工藝，其特征在于換熱式一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的氣體與來(lái)自二段轉(zhuǎn)化爐的氣體進(jìn)行間接換熱，并與管外燃燒供熱式中間轉(zhuǎn)化爐串聯(lián)進(jìn)行烴類蒸汽的一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)，自換熱式一段轉(zhuǎn)化爐管間出口的二段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)工藝原料氣/轉(zhuǎn)化氣換熱器將熱量傳遞給工藝原料氣后，進(jìn)入中溫變換爐和低溫變換爐，發(fā)生一氧化碳和水變換成氫和二氧化碳的反應(yīng)，冷卻進(jìn)入后繼工序，中、低溫變換爐前后均設(shè)有熱量回收裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)原料氣的壓力為500～8000KPa，溫度為400～600℃，出口溫度為500～800℃，管外燃燒供熱式中間轉(zhuǎn)化爐氣體出口溫度為600～850℃，二段轉(zhuǎn)化爐氣體出口溫度為800～1100℃，換熱式一段轉(zhuǎn)化爐管外氣體出口溫度控制在500～700℃。
全文摘要
本發(fā)明是一種烴類蒸汽串聯(lián)轉(zhuǎn)化新工藝，采用換熱式轉(zhuǎn)化爐與管外燃燒供熱式中間轉(zhuǎn)化爐串聯(lián)進(jìn)行烴類蒸汽的轉(zhuǎn)化，有效地利用二段轉(zhuǎn)化氣與換熱式轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的工藝氣進(jìn)行間接換熱，并保留現(xiàn)有的中、低溫變換爐，采用必要的熱回收設(shè)備，具有能耗低、投資省、適用于小型合成氨廠和甲醇廠，尤其適用于C.C.R(間歇蒸汽轉(zhuǎn)化)合成氨廠改造的特點(diǎn)。與其它方法比，采用本發(fā)明生產(chǎn)每噸合成氨可節(jié)能1.2～17.6×10
文檔編號(hào)C01B3/48GK1057627SQ9110726
公開(kāi)日1992年1月8日 申請(qǐng)日期1991年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月8日
發(fā)明者龐玉學(xué), 劉武烈, 張珂, 周仲父 申請(qǐng)人:龐玉學(xué)