在大多数传统的氨合成设备中，天然气经过一级和二级转化炉的处理产生 氢气，转化气流中的余热被回收后经过变换反应产生额外的氢气。在进一步的 步骤中，酸性气体(这里指二氧化碳)被除去，残余的一氧化碳(CO)和二 氧化碳(CO2)在下游的甲烷转化器中转化为甲烷。所产生的原料合成气流传 送到合成环路中用于氨的生产，其中的氮气通常由进入到二级转化炉中的工艺 空气提供。
一般来讲，氨合成设备在二级转化炉中使用一定量的工艺空气以使甲烷转 化器排出气体(原料合成气)中氢气和氮气的摩尔比保持在3∶1，其通常作为 氨合成环路中的补充气体。理想情况是，通过引入过量空气并在气体膨胀、自 冷作用和深冷分离的综合作用下从合成气流中去除过量氮气来提高生产能力， 例如Grotz在美国专利3,442,613所描述的那样。Grotz的配置在一些氨生产设 备中是比较有效的，而由于膨胀步骤需要氨合成设备中的起始压力有相当大的 增长使得对现有设备的改进是很困难的，因而也就迫使进行更新/改造以适应对 增长压力的要求。
为回避改进现有氨合成生产设备时所遇到的一些问题，Bhakta在美国专利 5,935,544中描述了一种配置，其中对甲烷含量较低并含有适量剩余氮气的合成 气进行净化，外加的冷却步骤使产生的合成气中的惰性气体含量足够低从而显 著增强合成能力或降低合成环路中的压力。尽管Bhakta配置解决了改进现有设 备时遇到的一些问题，但是为使合成能力获得令人满意的改进，其一般局限于 使用相对狭窄的工艺参数。
在其它已知的设备配置中(参见例如共同申请人的公开号为WO03/002459 的国际专利申请)，氨合成设备包括一个在合成环路上游的分离系统，该分离 系统将氢气与氮气的比不足3∶1的原料气中的过量氮气和其它气体化合物去除 从而制得氢气与氮气的比为大约3∶1的合成气。在一个特别优选的系统中，将 使用除空气以外的制冷剂的低温箱或变压吸附装置作为分离系统。上述配置与 已知的氨合成设备相比具有一定的优点，但是对过量空气的需要量仍然比较 高。
然而，尽管有许多已知的配置与处理方法对氨合成进行改进，但是所有或 者几乎所有的这些改进都有一种或多种缺点。因此仍然需要一种方法配置对氨 合成进行进一步改进。

本发明主要涉及氨合成设备的配置及生产方法，其中通过增加分离器底部 产物的压差来增强分离器的制冷。
本发明主题的一个方面是，一种氨合成设备包括一个用以接收原料合成气 并产生底部产物和处理过的合成气顶部产物的深冷分离器。一个膨胀装置进一 步与深冷分离器连接，通过膨胀底部产物使其压力从第一压力达到第二压力从 而为深冷分离器提供制冷冷冻。所设计的设成设备进一步包括一个与分离器流 通式连接的压缩装置，该压缩装置通过增加第一压力和第二压力间的压差来增 强制冷冷冻。
更为优选地，原料合成气膨胀器与深冷分离器相连，该原料合成气膨胀器 用以为深冷分离器提供膨胀的原料合成气，压缩装置与原料合成气膨胀器相连 从而提供至少部分压缩能量。当膨胀装置位于压缩装置上游时，通常优选利用 膨胀装置膨胀底部产物使其压力处于大气压与30psig(例如JT阀)之间。另 一方面，当膨胀装置位于压缩装置下游时，通常优选压缩装置为一个泵，其将 第一压力增至50psig。
因此，发明人设计了一种氨合成设备的操作方法，其中在一个步骤中原料 合成气在深冷分离器中分离为底部产物和处理过的合成气顶部产物。在另外一 个步骤中，膨胀底部产物使其压力从第一压力变化到第二压力，将这个过程中 所产生的制冷冷冻提供给深冷分离器，在又一个步骤中，压缩或泵抽底部产物 来增加第一压力和第二压力间的压差从而增强所产生的制冷冷冻。
发明人从另一角度还设计了一种氨合成设备的操作方法，其中在一个步骤 中原料合成气在膨胀器中膨胀产生功和冷却作用用以将原料合成气深冷分离成 底部产物和处理过的合成气顶部产物。最优选地，上述功用以增强深冷分离器 中底部产物压力和将底部产物输送至深冷分离器的下游设备组件所需输送压力 之间的压差。
本发明的各种目标、特点、方向和优点将在以下对本发明优选实施方案的 详细描述中更为清楚。
附图说明
图1是现有技术中已知氨合成设备配置的示意图。
图2是所设计的设备与先前已知设备配置相比的压力梯度示意图。
图3A是一种氨合成设备的示范性配置，其中底部产物过度膨胀并进行再 压缩使其压力达到燃气集管压力。
图3B是一种氨合成设备的示范性配置，其中底部产物通过泵的作用增加 压力，并经膨胀使其压力达到燃气集管压力。

发明人发现氨合成设备中过量空气的数量基本可以随着低温箱的精馏塔中 制冷的增强而减少。在最优选的配置中，通过增强精馏塔底部产物的压力梯度 来增强制冷，底部产物的膨胀产生制冷冷冻。因此，所设计的配置将有利于减 少过量空气率(例如，对于标准Braun工艺为37％比50％)，同时也会使得设 备前端产生较低的液压负载和/或产生较低的CO2脱除系统负荷。
例如，在本发明主题的一个方面中，底部产物过度膨胀(例如，使膨胀后 的压力低于输送到下游装置所需的输送压力)，然后使用由原料合成气膨胀所 产生的能量进行再压缩。或者，也可以使用由原料合成气膨胀所产生的能量用 泵使底部产物达到所需压力，然后对压缩的底部产物进行膨胀(或者过度膨胀 后进行再压缩)以提供冷却作用。在优选的配置中，在合成气生产过程的前端 工序中引入过量的空气和/或氮气以增加所设计的配置的产能，同时保持氢气和 氮气的化学计量比大约为3∶1。这里术语“氢气和氮气的摩尔比为大约3”是 指摩尔比在2.95到3.05之间，更优选在2.97到3.03之间，最优选在2.99到3.01 之间。而且应该理解的是所设计的配置可以在提高生产能力和/或减少能量需求 的同时使用范围相对较宽的工艺参数。
现有技术图1中描述了已知氨合成设备中一个示例性的配置。此处使用一 个空气分离装置使得设备100中氨产量提高。在上述配置中，富氧气体106(即 包含至少25mol％，更为典型地包含至少75mol％，最典型地包含至少90mol ％氧气)可以进入二级转化器120中，将富氮气体108(即包含至少80mol％， 更为典型地包含至少90mol％，最典型地包含至少95mol％氮气)在甲烷合成 器160上游位置引入已经转化和/或变换的气体中。或者当所需的或额外的空气 分离装置在经济上不可行时，可以将空气分离装置省略。关于上述设备的各种 工序配置及操作要点在公开号为WO03/002459的国际专利申请中已有介绍， 这里作为参考引入。
发明人发现上述或其它氨合成设备的效率可以通过膨胀分离器(精馏塔) 底部液体使其压力调整到基本低于当前使用压力的状态和/或基本上高于当前使 用压力的状态来进一步提高。应该理解：对上述增加的压差的利用减轻了精馏 塔上游的低温箱顶部冷凝器和流入/流出交换器中的温度收缩。因此，视精馏塔 底部液体膨胀程度，可以通过化学计量校正单元使过量空气率小于50％，更典 型地小于40％，甚至更典型地小于30％，最典型地过量空气率在大约20％到 30％之间(某些情况下甚至小于20％)。
根据本发明的主题在最优选的配置中，膨胀器中用于冷却的压差至少为 10-20psi，更典型地至少为20-30psi，最典型地在20-50psi之间。例如，底部产 物可以被膨胀达到大气压(或稍有增加)然后利用原料合成气膨胀器中所产生 的能量来进行再压缩。上述膨胀过程通常提供的压差为大约15-25psi，更典型 地为大约30psi。这里与数字联用的术语“大约”是指，包括，从低于该数值 绝对值10％到高于该数值绝对值10％的一个范围。同样地，可以用泵使底部 产物压力从精馏塔中的压力增加，经增加的压力介于20-40psi更高之间、以及 更典型地在30-50psi之间(或者甚至更高)。
相反，在此以前已知的低温箱配置局限于将底部液体膨胀到一个高压，通 常该高压与燃气集管中压力相当，其与本发明主题的配置和方法相比会导致冷 却作用的损失。而且，大多数已知的低温箱配置使用膨胀器中所产生的能量对 合成气进行再压缩，这仅仅可以节约相对少量的能量。图2图示了使用所设计 的配置和方法所增加的压差。在此，以传统氨合成设备作为参考，分离器底部 产物压力与接收底部产物的下游设备(一般为燃气集管)间的压差Δ1具有第 一数值。在底部产物过度膨胀使其压力达到或接近大气压的配置中，分离器底 部产物压力与膨胀器之间的压差Δ2具有第二数值，该数值基本上高于第一数 值。再压缩过度膨胀底部产物至接收底部产物的下游装置所消耗的能量(图中 以虚线CC2表示)优选来源于原料合成气膨胀器。同样地，在底部产物首先 进行增压(例如，使用泵)至升高的压力然后进行膨胀的配置中，泵与膨胀器 之间的压差Δ3具有第三数值，该数值基本上高于第一数值。底部产物增压所 消耗的能量(图中以虚线CC3表示)优选来源于原料合成气膨胀器。
图3A给出了一个带有过度膨胀和再压缩过程的示例性的配置，并具体给 出了低温箱配置的详图(用虚线框表示)。在此，从原料气体干燥器(图中未 给出)引出的原料气体302A在第一热交换器310A中冷却，在膨胀器320A中 膨胀，然后在第二热交换器330A中进一步冷却。如此膨胀和冷却后的原料气 体304A然后在精馏塔340A中分离为蒸汽部分306A和液体部分308A。液体 部分308A在JT阀350A中膨胀使其压力达到或接近大气压为顶部冷凝器342A 提供冷却作用。在向顶部冷凝器提供冷却作用后，膨胀的产物在进入到与膨胀 器相连的压缩器360A进行再压缩之前分别经过第二和第一热交换器330A和 310A。再压缩后的气体307A用作炉中(图中未示出)或其它下游装置中的燃 料。同样地，精馏塔340A中的蒸汽相(即合成气)306A也分别经过第二和第 一热交换器330A和310A提供冷却作用。通常加热过的合成气309A中的氢气 和氮气的比为3∶1，该合成气随后利用合成气压缩器(图中未示出)进行压缩。
在如图3B所示的另一个配置中，底部产物首先进入泵中达到所需压力， 该压力高于精馏塔中的压力，然后进行膨胀使其压力达到接收底部产物的下游 装置中的压力。在此，从原料气体干燥器(图中未给出)引出的原料气体302B 在第一热交换器310B中冷却，在膨胀器320B中膨胀，然后在第二热交换器330B 中进一步冷却。如此膨胀和冷却后的原料气体304B然后在精馏塔340B中分 离为蒸汽部分306B和液体部分308B。液体部分308B在泵360B中加压使其 压力高于精馏塔的压力(例如，高于精馏塔中压力30-50psi)从而形成增压的 底部产物308’B，然后在JT阀350B中膨胀为顶部冷凝器342B提供冷却作用。 在向顶部冷凝器提供冷却作用后，膨胀产物在作为气流307B进入到下游装置 (例如炉)之前分别经过第二和第一热交换器330B和310B。同样地，精馏塔 340B中的蒸汽相(即合成气)306B也分别经过第二和第一热交换器330B和 310B产生冷却作用。通常加热过的合成气309B中的氢气和氮气的比为3∶1， 该合成气随后利用合成气压缩器(图中未示出)进行压缩。
应该理解：精馏塔底部液体的过度膨胀使得其压力通常介于低于燃气集管 的压力和大气压之间(在一些情况下甚至低于大气压)。精馏塔底部的这种膨 胀通常不会产生低压废气(例如燃料气)。因此，一般从低温箱交换器排出的 膨胀气体当需要再压缩时最好再次压缩到所需的压力(例如，对于燃料气体大 约为15psig)。在这种情况下，再压缩最好与低温箱中的处理膨胀器相连。因 此应该承认在再压缩过程中无需外加能量。而且在大多数情况下由于不包含中 间冷却器或二次冷却器因此无需冷却水。此外，或者，应该理解：膨胀器中所 产生的功也可以应用于为精馏塔底部液体增压的泵中。在上述配置中，可以利 用膨胀气体的部分冷却量对增压的液体进行冷却。如上所述增压的液体然后可 以进行膨胀使其压力达到或低于燃气集管的压力以提供更强的冷却量。应该理 解：所设计的配置可以进行重新安装或者对现有设备进行升级。
就合适的压差特别是用于为分离器提供冷却作用的压差而言，应该注意所 有的压差都视为是合适的。因而所设计的压差包括1-100psi(或者甚至更高) 之间，更典型的1-50psi之间，最典型地为10-50psi之间。因此，所设计的精 馏塔底部产物的压缩装置包括泵，所述的泵可以使底部产物压力增加至少 10psi，更典型地增加至少50psi，最典型地增加至少100psi。这些装置可以使 用氨合成设备中任何可以利用的能量。然而，所述的泵在操作上尤其优选与原 料合成气膨胀器相连。例如适合的操作连接方式包括机械连接和电连接(例如， 利用膨胀器驱动为泵提供电力的发电机)。
同样地，压缩装置也是一个用以再压缩膨胀的底部产物的压缩机，其中压 缩机在操作上与原料合成气膨胀器相连。当压缩装置是再压缩预先膨胀的底部 产物的压缩机时，通常设计所述压缩机使预先膨胀过的底部产物压力增强，使 其从大气压或高于大气压的压力增强到适于那些接收再压缩的底部产物的下游 装置。例如，当下游设备是一燃烧器的燃气集管时，压缩机可以使压力增加大 约5-30psig之间。就所涉及的膨胀装置而言，所有的膨胀装置在此都认为是适 于使用的。然而，通常所述的膨胀装置优选是Joule-Thompson(JT)阀用以为 分离冷凝器提供冷却作用。或者，膨胀装置也可以在设备中用于产生电力或提 供动力或对液体产生压力。
因此已经公开了氨合成设备配置和生产方法的具体实施方案和应用。然而 应该理解对于本领域技术人员来说在不偏离本发明内容的情况下可以作出除已 经公开内容之外的更多的改进。因此本发明的主题除在所附权利要求范围以外 并不限制。而且，在解释说明书和权利要求书时，所有的术语应当被理解为与 上下文一致的具有最宽范围的含义。特别地，术语“包含”和“包含在内”应 当被理解为非排他性的指代所有的元素、组件或步骤，也就是说所引用的元素、 组件或步骤可以是现有的，被使用的，或者与其它未明确写明的元素、组件或 步骤结合使用的。此外，当本文中作为参考所引用的参考文献中的术语的定义 或使用与本文中术语的定义不一致或相反时，采用本文中的定义而不采用参考 文献中的定义。
本申请要求于2004年7月29日提交的美国临时专利申请60/592,930的优 先权。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种氨合成设备包括：
一个深冷分离器，用以接收原料合成气并产生底部产物和处理过的合成气 顶部产物；
一个与深冷分离器相连的膨胀装置，用以接收并膨胀底部产物使其压力从 第一压力达到第二压力从而为深冷分离器提供制冷冷冻；和
一个接收膨胀的底部产物的压缩装置，其与分离器流通式连接，该压缩装 置使得第一压力和第二压力间的压差增加并用以增强制冷冷冻。
2.如权利要求1所述的氨合成设备，进一步包括一个与深冷分离器相连的 原料合成气膨胀器，其中原料合成气膨胀器用以为深冷分离器提供膨胀的原料 合成气。
3.如权利要求2所述的氨合成设备，其中压缩装置与原料合成气膨胀器相 连从而提供至少部分压缩能量。
4.如权利要求3所述的氨合成设备，其中膨胀装置位于压缩装置的上游。
5.如权利要求4所述的氨合成设备，其中膨胀装置用以膨胀底部产物使其 压力在大气压和30psig之间。
6.如权利要求3所述的氨合成设备，其中膨胀装置包括JT阀，并且压缩 装置包括压缩机。
7.如权利要求3所述的氨合成设备，其中膨胀装置位于压缩装置的下游。
8.如权利要求7所述的氨合成设备，其中压缩装置包括一个泵，其使第一 压力增加30-50psi。
9.一种氨合成设备的操作方法，包括：
在深冷分离器中将原料合成气分离为底部产物和处理过的合成气顶部产 物；
膨胀底部产物使其从第一压力达到第二压力从而为深冷分离器提供制冷冷 冻；和
压缩膨胀的底部产物使得第一压力和第二压力间的压差增加从而增加所产 生的制冷冷冻。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括在原料合成气膨胀器中膨胀 原料合成气的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中原料合成气膨胀器在操作上与压 缩底部产物的压缩装置相连。
12.如权利要求9所述的方法，其中膨胀底部产物使其压力在大气压与 30psig之间，并且压缩膨胀的底部产物以增加压差。
13.如权利要求12所述的方法，其中经过再压缩的底部产物具有适于 将其送入转化炉的压力。
14.如权利要求9所述的方法，其中底部产物通过泵的作用达到第一压 力，然后膨胀到第二压力，所述第一压力高于深冷分离器中的操作压力。
15.一种氨合成设备的操作方法，包括：
在膨胀器中膨胀原料合成气产生用以将原料合成气深冷分离为底部产物和 处理过的合成气顶部产物所需的功和冷却作用；和
使用所产生的功驱动压缩装置，压缩底部产物使得深冷分离器中底部产物 压力与将底部产物输送到深冷分离器下游设备组件所需输送压力间的压差增 强。
16.如权利要求15所述的方法，其中使用功的步骤包括使用泵压缩底 部产物增加压力，其中泵位于膨胀装置的上游，该膨胀装置膨胀经过泵作用的 底部产物使其压力达到输送压力。
17.如权利要求16所述的方法，其中泵使压力增加30-50psi。
18.如权利要求15所述的方法，其中使用功的步骤包括使用压缩机压 缩底部产物增加压力，其中压缩机位于膨胀装置的下游，其压缩膨胀的底部产 物使其压力达到输送压力。
19.如权利要求18所述的方法，其中膨胀装置降低底部产物的压力， 使其压力在大气压和30psig之间。
20.如权利要求19所述的方法，其中膨胀的底部产物进一步为至少一 个热交换器提供冷却作用。