一种基于离子液体提高合成氨生产效率的系统及方法

技术领域

本发明涉及合成氨技术领域，尤其是涉及一种基于离子液体提高合成氨生产效率的系统及方法。

背景技术

合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。由于合成氨反应单程转化率较低，为推动反应向正反应方向进行，反应生成的氨要通过氨分离工艺进行及时分离，未反应的氮气和氢气需要重新循环进行反应。

当前市场上主流的氨分离工艺是三级冷却分离。一级冷却器用热媒水对氨合成塔出口气进行降温，二级冷却器通过氨分离器出口的循环气与一级冷却后的合成气热交换进行二级降温，三级冷却器为氨冷器，由氨压缩制冷循环系统提供冷量，使得合成气中的部分气氨液化为液氨，气液混合物在氨分离器中分离得到摩尔浓度≥99％的液氨，液氨进液氨闪蒸罐得到摩尔浓度≥99.5％的液氨，气相闪蒸气与原料气混合。氨三级冷却分离工艺存在以下几个问题：

(1)氨三级冷却流程复杂，使用冰机能耗较高，设备投资大，导致合成氨流程经济性较低。

(2)氨回收率低，循环气中氨含量较高，进入氨合成塔抑制正向反应，单程转化率降低，最终导致相同原料进气条件下，液氨产量降低。

(3)弛放气量大，给环保造成较大压力。

因此，亟需一种提高合成氨生产效率的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于离子液体提高合成氨生产效率的系统及方法，通过离子液体在吸收塔中对氨合成塔出口气中的氨进行吸收，经过一级、二级解吸，得到气相氨，经过冷凝分离后得到产品液氨，该方法替代了传统的三级氨冷却分离工艺流程，取消了冰机的使用，不仅降低了设备投资和能耗，而且提高了氨回收率和液氨产量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一个目的是提供一种基于离子液体提高合成氨生产效率的系统，合成氨系统包括合成气压缩机、进气换热器、氨合成塔、出气换热器、吸收塔、循环气压缩机、一级解吸器、循环液冷却器、循环液泵、二级解吸器、液氨冷却器、液氨分离罐。

进一步地，所述合成气压缩机与进气换热器连接；所述进气换热器与氨合成塔连接；所述氨合成塔与进气换热器、出气换热器、吸收塔依次连接；所述吸收塔顶部与循环气压缩机、进气换热器依次连接；所述吸收塔底部与一级解吸器连接；所述一级解吸器顶部与合成气压缩机连接；所述一级解吸器底部与循环液冷却器、出气换热器、二级解吸器依次连接；所述二级解吸器顶部与液氨冷却器连接；所述二级解吸器底部与循环液泵、循环液冷却器、吸收塔依次连接；所述液氨冷却器与液氨分离罐连接；所述液氨分离罐顶部与合成气压缩机连接，所述液氨分离罐底部与液氨管线连接。

进一步地，上述各装置设备通过管线连接。

进一步地，所述合成氨系统还包括合成气管线、弛放气管线、液氨管线、离子液体补充液管线。

进一步地，所述离子液体补充液管线用于添加离子液体补充液；离子液体补充液管线与循环液泵连接。

进一步地，所述合成气管线用于添加合成气；合成气管线与合成气压缩机连接；液氨分离罐与合成气管线连接。

进一步地，所述弛放气管线用于放出弛放气；弛放气管线与吸收塔连接。

进一步地，所述液氨管线用于放出液氨；液氨管线与液氨分离罐连接。

本发明的第二个目的是提供一种基于离子液体提高合成氨生产效率的方法，该方法采用上述合成氨系统，所述方法采用离子液体吸收来自氨合成塔循环气中的氨，含少量氨的循环气重回氨合成塔；吸收富液经过两级解吸得纯度较高的氨气，冷凝后得到液氨产品，解吸后贫液经换热循环回吸收塔。

进一步地，所述离子液体为常规离子液体，如咪唑盐类、醇铵盐类以及改性功能离子液体等的一种或几种混合物；具体如[Emim][BF

进一步地，所述方法包括如下工序：

合成：新鲜合成气与来自液氨分离罐的不凝气混合后进入合成气压缩机，同时来自一级解吸器的不凝气从合成气压缩机中部进入，压缩后与来自吸收塔的循环气混合经过进气换热器后去氨合成塔，反应后的高温高压循环气依次经进气换热器、出气换热器二级降温后去吸收工序；

吸收：来自合成工序的合成气从吸收塔底进入，来自二级解吸器的循环液与离子液体补充液混合后，经过循环液泵输送，循环液冷却器冷却后从吸收塔顶部进入，两者在塔内逆流传质，完成吸收过程，被吸收后的循环气分出一部分作为弛放气，其余经循环气压缩机压缩后返回合成工序，塔底吸收富液去解吸工序；

解吸：吸收富液先进入一级解吸器解吸出不凝气，即一级解吸的不凝气，一级解吸的不凝气回合成工序，一级解吸液先经循环液冷却器初步升温后，再进出气换热器二次升温后进入二级解吸器；二级解吸贫液回吸收工序，二级解吸气去氨冷工序；

氨冷：二级解吸气经过液氨冷却器冷凝后，进入液氨分离罐，分离出产品液氨以及不凝气，即氨冷却后的不凝气，氨冷却后的不凝气回氨合成工序。

进一步地，所述合成工序中氨合成塔的高温高压循环气包括氮气、氢气、氩气以及氨气，氨气摩尔浓度为10～30％，高温高压循环气压力为14～20MPa，降温后温度在60～100℃。

进一步地，所述吸收塔，可以为筛板塔、填料塔或者二者结合型式；吸收条件吸收液气比为4～5：1，压力为循环气压力，温度为40～150℃。

进一步地，所述吸收工序中循环气进吸收塔被吸收氨后，吸收塔顶部循环气中氨的摩尔浓度较低，不超过2％。

进一步地，所述解吸工序中吸收富液经一级解吸出不凝气，解吸温度60～100℃，解吸压力30～50bar。

进一步地，二级解吸出浓度较高的氨气，摩尔浓度大于99％，解吸温度100～150℃，解吸压力16～20bar，二级解吸后得到的解吸循环液，冷却后温度为40～80℃。

进一步地，所述合成工序中氨合成塔的高温高压循环气二级降温，其中一级用于提高新鲜合成气温度；二级用于提高解吸工序中吸收富液二级解吸的解吸温度。

进一步地，所述氨冷工序中二级解吸气经过冷凝后得到少量不凝气与液氨，液氨摩尔浓度大于99.5％，冷凝温度15～40℃，冷凝介质为循环冷却水、冷冻水或冷冻盐水等中的一种。

进一步地，所述解吸工序中一级解吸的不凝气与氨冷工序中氨冷却后的不凝气作为新鲜气补充气，重新进氨合成塔参与反应。

上述基于离子液体提高合成氨系统效率的方法在合成氨系统中进行。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本技术方案所提供的一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，替换了传统氨三级冷却分离的工艺方法，避免了冰机的使用，减少了设备投资和能耗。

2)本技术方案所提供的一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，使用的离子液体对氨气具有较高的溶解度和选择性，而对非极性气体N

3)本技术方案所提供的一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，降低了返回氨合成塔的循环气中的氨含量，促进了氮氢合成氨的正向反应，提高了单程转化率，并且提高液氨的产量，每吨液氨产品生产能耗进一步减少。

4)本技术方案所提供的一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，因为不需要冰机为氨冷却分离提供冷量，根本上避免了冰机发生喘振的情况发生，也为小型合成氨装置的工业化实现提供了技术支持。

总体上相比于传统氨三级冷却分离方法，提高了合成氨系统的生产效率。

附图说明

图1为对比例1、2的传统氨三级冷却分离流程图；

图2为本发明实施例1、2中的合成氨系统的结构示意图及基于离子液体提高合成氨生产效率的方法的工艺流程图。

图中标号所示：

1、合成气压缩机，2、进气换热器，3、氨合成塔，4、出气换热器，5、吸收塔，6、循环气压缩机，7、一级解吸器，8、循环液冷却器，9、循环液泵，10、二级解吸器，11、液氨冷却器，12、液氨分离罐，13、合成气管线，14、弛放气管线，15、液氨管线，16、离子液体补充液管线；

4’、一级冷却器，5’、二级冷却器，6’、三级冷却器，7’、氨分离器，8’、液氨闪蒸罐，9’、第二循环气压缩机，10’、冰机，11’、冷凝器，12’、节流阀；

A、合成气，B、弛放气，C、液氨，D、离子液体补充液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1、图2中，A为合成气，B为弛放气，C为液氨，D为离子液体补充液。

实施例1

实施例1采用如图2所示的工艺流程。本实施例提供一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，包括如下步骤：

I、合成：新鲜合成气7600Nm

II、吸收：来自合成工序的合成气从吸收塔5底进入，来自二级解吸器10的二级解吸贫液循环液与离子液体[Bmim][BF

III、解吸：吸收富液先进入一级解吸器7，一级解吸温度60℃，压力30bar解吸出不凝气，一级解吸的不凝气回合成工序；一级解吸液先经循环液冷却器8初步升温至90℃后，再进出气换热器4二次升温至100℃进入二级解吸器10，二级解吸温度100℃，压力16bar，二级解吸贫液循环回吸收工序，二级解吸气去氨冷工序。

IV、氨冷：二级解吸气经过液氨冷却器11冷凝至37℃后，进入液氨分离罐12，分离出液氨以及不凝气，氨冷不凝气返回氨合成工序，产品液氨2875kg/h，纯度大于99.5％。

如图2所示，上述基于离子液体提高合成氨系统效率的方法在合成氨系统中进行，所述合成氨系统包括合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、出气换热器4、吸收塔5、循环气压缩机6、一级解吸器7、循环液冷却器8、循环液泵9、二级解吸器10、液氨冷却器11、液氨分离罐12。

合成气压缩机1与进气换热器2连接；进气换热器2与氨合成塔3连接；氨合成塔3、进气换热器2、出气换热器4、吸收塔5依次连接；吸收塔5顶部与循环气压缩机6、进气换热器2依次连接；吸收塔5底部与一级解吸器7连接；一级解吸器7顶部与合成气压缩机1连接；一级解吸器7、循环液冷却器8、出气换热器4、二级解吸器10依次连接；二级解吸器10底部与循环液泵9、循环液冷却器8、吸收塔5依次连接；二级解吸器10顶部与液氨冷却器11连接；液氨冷却器11与液氨分离罐12连接；液氨分离罐12顶部与合成气压缩机1连接。合成氨系统还包括合成气管线13、弛放气管线14、液氨管线15、离子液体补充液管线16。

离子液体补充液管线16用于添加离子液体补充液；离子液体补充液管线16与循环液泵9连接。

合成气管线13用于添加合成气；合成气管线13与合成气压缩机1连接；液氨分离罐12与合成气管线13连接。

弛放气管线14用于放出弛放气；弛放气管线14与吸收塔5连接。

液氨管线15用于放出液氨；液氨管线15与液氨分离罐12连接。

本合成氨流程各关键物流组成如下表1。

本实施例中的工艺相对于传统氨三级冷却分离工艺(对比例1)，设备投资方面省去了昂贵的冰机，采用价格低廉的高压泵结合吸收塔代替，设备投资节省将近10％。在同样进气条件下，生产每吨氨能耗降低3.95％，氨回收率提高8.59％，液氨产量增加3.04％，弛放气量减少59.65％，各指标对比结果如表2。

表1实施例1关键物流摩尔含量。

表2相同进料条件下，实施例1的工艺与对比例1的传统工艺指标对比。

实施例2

实施例2采用如图2所示的工艺流程。本实施例提供一种基于离子液体提高合成氨系统效率的方法，包括如下步骤：

I、合成：新鲜合成气9000Nm

II、吸收：来自合成工序的合成气从吸收塔5底进入，来自二级解吸器10的二级解吸贫液循环液与离子液体[Bmim][NTf

III、解吸：吸收富液先进入一级解吸器7，一级解吸温度100℃，压力50bar解吸出不凝气，一级解吸的不凝气回合成工序；一级解吸液先经循环液冷却器8初步升温至90℃后，再进出气换热器4二次升温至150℃进入二级解吸器10，二级解吸温度150℃，压力20bar，二级解吸贫液循环回吸收工序，二级解吸气去氨冷工序。

IV、氨冷：二级解吸气经过液氨冷却器11冷凝至37℃后，进入液氨分离罐12，分离出液氨以及不凝气，氨冷不凝气返回氨合成工序，产品液氨3347kg/h，纯度大于99.5％。

如图2所示，上述基于离子液体提高合成氨系统效率的方法在合成氨系统中进行，所述合成氨系统包括合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、出气换热器4、吸收塔5、循环气压缩机6、一级解吸器7、循环液冷却器8、循环液泵9、二级解吸器10、液氨冷却器11、液氨分离罐12。

合成气压缩机1与进气换热器2连接；进气换热器2与氨合成塔3连接；氨合成塔3、进气换热器2、出气换热器4、吸收塔5依次连接；吸收塔5顶部与循环气压缩机6、进气换热器2依次连接；吸收塔5底部与一级解吸器7连接；一级解吸器7顶部与合成气压缩机1连接；一级解吸器7、循环液冷却器8、出气换热器4、二级解吸器10依次连接；二级解吸器10底部与循环液泵9、循环液冷却器8、吸收塔5依次连接；二级解吸器10顶部与液氨冷却器11连接；液氨冷却器11与液氨分离罐12连接；液氨分离罐12顶部与合成气压缩机1连接。

合成氨系统还包括合成气管线13、弛放气管线14、液氨管线15、离子液体补充液管线16。

离子液体补充液管线16用于添加离子液体补充液；离子液体补充液管线16与循环液泵9连接。

合成气管线13用于添加合成气；合成气管线13与合成气压缩机1连接；液氨分离罐12与合成气管线13连接。

弛放气管线14用于放出弛放气；弛放气管线14与吸收塔5连接。

液氨管线15用于放出液氨；液氨管线15与液氨分离罐12连接。

本合成氨流程各关键物流组成如下表3。

本工艺相对于传统氨三级冷却分离工艺，设备投资方面省去了昂贵的冰机，采用价格低廉的高压泵结合吸收塔代替，设备投资节省将近10％。在同样进气条件下，生产每吨氨能耗降低4.38％，氨回收率提高2.82％，液氨产量增加11.34％，弛放气量减少53.41％,各指标对比结果如表4。

表3实施例2关键物流摩尔含量对比。

表4相同进料条件下，实施例2的工艺与对比例2的传统工艺指标对比。

对比例1

对比例1采用如图1所示的工艺流程。本对比例提供一种氨三级冷却分离的方法，包括如下步骤：

一级冷却器4’用热媒水对氨合成塔3出口气进行降温，二级冷却器5’通过氨分离器7’出口的循环气与一级冷却后的合成气热交换进行二级降温，三级冷却器6’为氨冷器，由氨压缩制冷循环系统提供冷量，使得合成气中的部分气氨液化为液氨，气液混合物在氨分离器7’中分离得到摩尔浓度≥99％的液氨，液氨进液氨闪蒸罐8’得到摩尔浓度≥99.5％的液氨，气相闪蒸气与原料气混合。

本对比例与实施例1的进料条件相同。

本对比例采用的传统氨三级冷却分离系统，包括合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、一级冷却器4’、二级冷却器5’、三级冷却器6’、氨分离器7’、液氨闪蒸罐8’、第二循环气压缩机9’、冰机10’、冷凝器11’、节流阀12’。合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、一级冷却器4’、二级冷却器5’、三级冷却器6’、氨分离器7’、液氨闪蒸罐8’依次通过管线连接；二级冷却器5’、第二循环气压缩机9’、进气换热器2依次通过管线连接；三级冷却器6’、冰机10’、冷凝器11’、节流阀12’依次通过管线连接。

对比例2

对比例2采用如图1所示的工艺流程。本对比例提供一种氨三级冷却分离的方法，包括如下步骤：

一级冷却器4’用热媒水对氨合成塔3出口气进行降温，二级冷却器5’通过氨分离器7’出口的循环气与一级冷却后的合成气热交换进行二级降温，三级冷却器6’为氨冷器，由氨压缩制冷循环系统提供冷量，使得合成气中的部分气氨液化为液氨，气液混合物在氨分离器7’中分离得到摩尔浓度≥99％的液氨，液氨进液氨闪蒸罐8’得到摩尔浓度≥99.5％的液氨，气相闪蒸气与原料气混合。

本对比例与实施例2的进料条件相同。

本对比例采用的传统氨三级冷却分离系统，包括合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、一级冷却器4’、二级冷却器5’、三级冷却器6’、氨分离器7’、液氨闪蒸罐8’、第二循环气压缩机9’、冰机10’、冷凝器11’、节流阀12’。合成气压缩机1、进气换热器2、氨合成塔3、一级冷却器4’、二级冷却器5’、三级冷却器6’、氨分离器7’、液氨闪蒸罐8’依次通过管线连接；二级冷却器5’、第二循环气压缩机9’、进气换热器2依次通过管线连接；三级冷却器6’、冰机10’、冷凝器11’、节流阀12’依次通过管线连接。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。