发明领域本发明涉及化学产品的生产，类似于例如氨或甲醇，其中，合适的补充气体在回路压力下在合成回路中反应。
背景技术：
0、现有技术
1、各种化学产品的工业生产基于在所谓的合成回路中使补充气体反应。该回路至少包括合成转化器(synthesis converter)，合成转化器通常是催化转化器，其中，补充气体在合适的压力和温度条件下反应。转化器的流出物通常含有未转化的试剂，这些试剂被分离并再循环到转化器，从而形成回路。值得注意的示例是用于生产氨和甲醇的系统。
2、在大多数实际关注的情况中，合成需要高压。通常，合成压力远高于产生补充气体时的压力。例如，在氨合成设备(plant)中，补充气体可以在前端中在约25巴至45巴的压力下产生，而回路压力远高于100巴。因此，通过合适的补充压缩机将补充气体升高至回路压力。第二压缩机称为循环压缩机，用于维持回路中的循环，即，补偿回路的物品(item)和管道中由于反应物部分转化而导致的压力损失。
3、合成回路通常被设计为以恒定或接近恒定的补充气体进料速率运行。这是因为补充气体通常是在化石燃料(如天然气)的前端运行中产生，化石燃料是不断可获得的，整个设备没有被设计为是灵活的，其依赖于几乎恒定的补充气体输入。因此，上述压缩机可以以基本恒定的旋转速度和输送速率运行。
4、近年来，已经出现了减少二氧化碳排放和用可再生能量来源替代化石燃料的需求。例如，许多关注的方法使用含氢的补充气体，氢可以通过水的电解产生，水的电解由可再生来源(如太阳、风和其它等)提供动力。
5、然而，可再生来源本质上是间歇性的和/或变化的，因此当部分或全部依赖可再生能量来源时，补充气体的进料速率变得是变化的。
6、在高度变化的进料速率下控制合成回路具有各种挑战。例如，可以通过改变旋转速度来控制压缩机的流速，但这仅在某些限制内是可能的，以确保压缩机的安全运行。在离心式压缩机中，降低旋转速度也会降低输送压力。在一些实施方案中，循环压缩机和补充压缩机安装在相同的轴上，因此降低循环压缩机的速度以降低回路中的流速也会减慢补充压缩机的速度，使回路压力降至不可接受的水平。
7、如果压力降至某个水平以下，转化效率可能会受到严重影响，或者反应器可能无法维持转化反应。回路压力的显著变化也可能影响回路中其他装置的平衡条件，例如冷凝器中的平衡。此外，由于疲劳应力，随着可再生动力波动，回路压力的波动可能会迅速损坏回路的物品，例如合成反应器的压力容器。
8、因为上述原因，由于输入动力的波动，在存在高度变化的进料的情况下，如何控制合成回路的问题不容易解决。
9、ep 3819 261中公开了在部分负载下控制氨合成回路。wo 2021 233 780中描述了一种用于控制制备氨或甲醇的回路的方法。
10、发明概述
11、本发明面临如何控制用于生产化学产品(特别是氨或甲醇)的合成回路的问题，其中，回路的进料取决于可再生能量，因此，必须控制回路以正确地遵循所述能量的波动。
12、该问题通过权利要求1的方法得到解决，其中，所述回路的压力、所述补充压缩机的输送速率和所述循环压缩机的输送速率被连续控制，以遵循所述补充气体的变化的速率，同时将回路压力保持在运行设计回路压力的目标偏差内，其中所述目标偏差不超过20％。在从属权利要求中描述了优选的实施方案。
13、在本发明中，回路被动态控制以对由波动的可再生来源的动力引起的进料变化做出反应，同时将压力回路保持在接近设计值的水平。相关优点包括：回路运行更稳定、更可靠；减少机械应力；基于可用动力优化生产，不需要大型缓冲存储器。通过以下描述，这些优点将变得更加显而易见。
技术实现思路
1、补充压缩机和循环压缩机可以是往复式压缩机或离心式压缩机。所述两种类型的压缩机(补充压缩机和循环压缩机)可以共用相同的轴，使得它们以相同的速度旋转或者它们可以具有分开的轴，使每个压缩机的旋转速度可以被独立控制。
2、术语压缩机表示相关级(stage(s))的压缩。通常，由于相当大的压缩比，至少补充压缩机是多级的。每个压缩级可包括旋转部件(如叶轮(impeller))和固定部件(如扩压器(diffuser)或固定叶片)。在具有共同轴的实施方案中，补充压缩机和循环压缩机可以被视为单个机器的部件，并且可以具有共同的各种结构部件或辅助设备。
3、在本发明中，通过系统(如旋转速度)控制压缩机的输送速率，或通过作用于其控制系统(如吸入阀(suction valve)或下文所述的其他方式)，将回路压力保持在独立于回路负载的有限的范围值内。
4、回路负载按进料至合成回路的新制补充气体的量进行测量。回路压力表示氨转化器的运行压力。
5、往复式循环压缩机
6、循环压缩机可以是往复式压缩机，即容积式压缩机，通常使用安装在曲轴上的一个或多个活塞。
7、往复式循环压缩机的输送速率优选通过以下一种或多种方式控制，包含其组合：
8、a)一个或多个吸入阀卸载器(unloaders)；
9、b)一个或多个吸入阀调节器；
10、c)一个或多个固定的或可变的间隙袋(clearance pockets)；
11、d)集成在所述压缩机中的旁路系统；
12、e)独立的流量节流阀，所述流量节流阀被安排为控制回路中的流速。
13、根据a)所述的吸入阀卸载器是致动器装置，其被安排为即使在压缩阶段，如果被激活，保持压缩机吸入阀完全打开。压缩机可以包括多个这样的吸入阀卸载器，从而激活它们将逐步降低压缩机的输送速率。吸入阀卸载器用作一个或多个相应的吸入阀的开关。
14、根据b)的吸入阀调节器是致动器装置，其目的是在压缩阶段调节吸入阀的打开程度。通过控制该装置，可以连续调节输送速率。
15、根据c)的固定或可变间隙袋是被安排为往复式压缩机的气缸增加间隙的装置，从而改变每个气缸在每个压缩阶段实际输送的气体量，进而改变给定旋转速度下的输送速率。
16、根据d)的旁路系统是可以将部分流量从排放侧再循环到吸入口侧(suctionside)的系统。
17、由于回路本身的闭合配置，根据e)的流量节流阀原则上可以位于回路中的任何点。然而，所述流量节流阀的优选位置在循环压缩机的吸入口处，甚至更优选地在循环压缩机紧邻上游处，其中术语“紧邻上游”表示在阀和压缩机之间没有安装设备(如换热器)。
18、根据不同的实施方案，可以单独或组合采用上述系统a)至e)。此外，上述系统a)至d)可以与控制压缩机的旋转速度相结合。在往复式压缩机的情况下，旋转速度是指曲轴的旋转速度。
19、在一些实施方案中，补充压缩机和循环压缩机都是往复式机器。在该实施方案中，两个所述压缩机共用相同的轴，使得它们被安排为始终以相同的速度旋转。在这种情况下，该方法可以包括通过控制共同的轴的速度来控制两个压缩机的旋转速度。
20、在相同轴上具有往复式压缩机的实施方案中，控制共同的旋转速度可以根据补充气体的可用进料来调节流速，而它基本上不会影响由补充压缩机的压缩比决定的回路压力。
21、离心式循环压缩机
22、在某些实施方案中，循环压缩机可以是离心式压缩机，包括旋转叶片叶轮。
23、根据优选实施方案，当压缩机为离心式时，循环压缩机的输送速率由以下一种或多种方式或其组合控制：
24、a)控制所述压缩机的入口导叶的位置；
25、b)控制安装在吸入口处或在回路上游至所述循环压缩机中的任意位置(anyway)处的速率控制阀的开启；
26、c)控制所述压缩机的旋转速度；
27、根据a)的入口导叶是位于压缩机入口侧的可调节固定叶片，其可以被安排为给入口流提供合适的方向或旋转(swirl)。通过采用可调节的导叶并控制其位置(也称为打开的程度)，可以改变入口流，从而改变压缩机的运行和可通过其排放的流速。
28、根据b)的控制阀是放置在压缩机吸入侧上的阀，其可以在压缩机入口处引入可变压降，从而可以减少流量并增加跨越机器的压缩比。
29、在一些实施方案中，补充气体压缩机和循环压缩机都是离心式的，安装在相同的轴上，因此它们以相同的速度旋转。然而，在离心式压缩机中，与往复式压缩机相反，排放侧处产生的压力强烈地取决于旋转速度。这意味着控制循环压缩机的速度会影响补充压缩机的速度，从而影响压力回路。
30、为了消除上述问题，在优选实施方案中，本发明提供了：
31、控制补充压缩机的旋转速度以将回路压力保持在目标范围内，所述补充压缩机的输送速率与旋转速度分开控制，优选地通过集成在压缩机中的反冲或旁路系统来控制；
32、使用上述提到的方式a)、b)、c)或其组合中的任一种来控制所述循环压缩机的输送速率。
33、优选的实施方案
34、以下是基于用于循环压缩机(circulator)和/或补充气体压缩机的机器类型(即往复式或离心式)以及独立或由共用的轴驱动的压缩机的优选实施方案的描述。
35、在第一实施方案中，循环压缩机是往复式机器，当进料减少时，所述循环压缩机的旋转速度降低，而当进料增加时，其旋转速度增加。进料的减少或增加对应于产量的减少或增加。
36、在第二实施方案中，循环压缩机是往复式机器，并且所述循环压缩机的输送速率由一种或多种上述系统控制，所述系统包括吸入阀卸载器；吸入阀调节器；固定或可变的间隙袋；集成的旁路系统。
37、在第三实施方案中，循环压缩机是与补充压缩机分开的离心机，当进料减少时，所述循环压缩机的旋转速度降低，而当进料增加时，其旋转速度增加。补充压缩机的速度是独立控制的。
38、在第四实施方案中，循环压缩机是离心机，通过在进料减少时关闭吸入阀而在进料增加时打开所述阀来控制，其中补充压缩机可以是分离的或安装在相同轴上。
39、在第五实施方案中，循环压缩机是离心机，通过在进料减少时关闭入口导叶而在进料增加时打开所述导叶来控制，其中补充压缩机可以是分离的或安装在相同轴上。
40、在第六实施方案中，循环压缩机是往复式机器，通过根据进料的减少或增加来降低或增加旋转速度来控制，同时由以下中的一个或多个控制：吸入阀卸载器；吸入阀调节器；固定或可变的间隙袋；集成的旁路系统，节流或打开安装在吸入口处或在回路上游至所述循环压缩机中任意位置(anyway)处的的独立阀。
41、在第七实施方案中，循环压缩机和补充气体压缩机是分离的离心机，通过根据进料的减少或增加来降低或增加旋转速度以及同时通过控制吸入阀的打开和/或循环压缩机入口处可调节导叶的位置来控制循环压缩机。
42、在第八实施方案中，循环压缩机是离心机，补充气体压缩机是往复式机器，通过根据进料的减少或增加来降低或增加旋转速度以及同时通过控制吸入阀的打开和/或循环压缩机入口处可调节导叶的位置来控制循环压缩机。
43、在所有上述实施方案中，执行控制以将回路压力保持在目标范围内，优选地几乎恒定或尽可能恒定。
44、单压缩机
45、在一些实施方案中，补充压缩机和循环压缩机可以实现为在单个机器内离心压缩级(stages)。在这些实施方案中，本发明的方法可以包括控制吸入阀的打开和控制可调节导叶的位置的组合。
46、本发明进一步的实施方案
47、在本发明的各种实施方案中，包括具有往复式或离心式压缩机的实施方案，回路压力保持在目标范围内。这尤其意味着，控制回路压力以避免降至设计压力减去给定百分比范围以下。
48、在本发明中，所述回路的压力、所述补充压缩机的输送速率和所述循环压缩机的输送速率被连续控制，以遵循所述补充气体的变化速率，同时将所述回路压力保持在运行设计回路压力的目标偏差内，其中所述目标偏差不超过20％。不超过20％的目标偏差可包括当瞬时压力等于回路的设计压力时没有变化的情况。由于回路压力可随时间变化，上述条件要求与回路压力的偏差(如果有)不超过20％。例如，假设设计回路压力为100巴，不超过20％的目标偏差意味着压力被控制在不降低低于80巴。
49、在优选实施方案中，目标范围不超过15％，或不超过10％，或不超过5％。
50、在实施方案中，所述目标偏差可以具有下限，例如0.1％，或0.5％，或1.0％。因此，目标偏差可以是0.1％至20％，或0.5％至20％，或1.0％至20％，或者具有上述下限中的任何一个下限和15％、10％或5％中的任何一个上限的范围。
51、本发明使用运行设计回路压力作为该方法的定位点。当回路压力保持在目标范围内时，补充气体进料可能会发生很大变化。在优选实施方案中，补充气体进料可以在设计速率的10％至100％内或设计速率的20％至100％内变化，同时回路压力保持在目标范围内。换句话说，本发明的方法将回路压力保持在目标范围内，对于进料速率，其可低至设计进料速率的10％。
52、在本发明的某些实施方案中，可以提供补充气体的储存。无论如何，本发明的一个大的优点是能够遵循由可再生能量来源的瞬时动力决定的进料速率的快速波动，这意味着存储系统(如果有)可以很小，也更便宜。特别地，本发明的一个显著优点是遵循变化的进料速率，回路中的温度和压力基本上没有变化或变化很小，特别是在合成反应器中。因此，反应器不会受到可能迅速导致故障的压力波或加热循环的影响。
53、优选实施方案中的补充气体是含氢气体，其中使用可再生能量通过水的电解产生氢。一个有趣的应用是太阳能提供动力进行水的电解以产生含氢气体。本发明最有趣的应用之一是氨合成回路或甲醇合成回路的控制。
54、氨合成回路通常包括：循环压缩机、催化转化器、冷凝器、分离器。转化器产生热的含氨气态产物，其在冷凝后被分离为液氨产物和气相，再循环至循环压缩机的吸入口。氨补充气体包括适当比例的氢和氮；氮可以例如从空分装置或psa获得。
55、甲醇合成回路在结构上类似于上述氨合成回路。在甲醇合成过程中，补充气体通常是一氧化碳和氢的混合物。
56、一个特别优选的实施方案包括在由可再生能量(例如太阳能)提供动力的合适电解槽中通过水的电解产生氢。必须注意的是，能量来源的输出可以几乎瞬间变化，例如由于天气条件。电解槽也能够在短时间内反应，通常为约几分钟。根据本发明，回路能够通过保持恒定或接近恒定的压力来对变化的进料作出反应，从而避免设备的应力并保持可接受的转化效率。
1.一种用于控制生产化学产品的合成回路的方法，其中：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述循环压缩机为往复式压缩机。
3.根据权利要求2所述的方法，包含通过以下一种或多种方式控制所述循环压缩机的输送速率：
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述补充压缩机为往复式压缩机，其与所述循环压缩机共用相同的轴，使得它们被安排为始终以相同的速度旋转，并且所述方法包括控制所述压缩机的旋转速度。
5.根据权利要求3和4所述的方法，其中，具体地，控制所述压缩机的旋转速度与a)至d)和f)中的方式的任一种相结合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述循环压缩机为离心式压缩机。
7.根据权利要求6所述的方法，包含通过以下一种或多种方式控制所述循环压缩机的输送速率：
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述补充压缩机为在所述循环压缩机的相同轴上的离心式压缩机，使得它们具有相同的旋转速度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述补充压缩机为离心式压缩机，其中，所述补充压缩机的旋转速度和所述循环压缩机的旋转速度可以被独立控制，并且其中所述方法包括：
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述回路压力的目标偏差不超过10％。
11.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述回路压力保持在目标范围内，同时所述补充气体进料在设计速率的10％至100％内变化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，分开控制所述补充压缩机的输送速率和所述循环压缩机的输送速率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述补充气体为含氢气体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，至少部分通过水的电解的过程产生氢，该过程由所述可再生能量来源提供动力。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述化学产品为氨，或其中所述化学产品为甲醇。
