Двухступенчатая паровая и паровоздушная каталитическая конверсия под давлением

В течение последних лет процесс двухступенчатой паровой и паровоздушной каталитической конверсии углеводородных газов под давлением получил очень широкое применение как в мировой, так и в отечественной азотной промышленности. На его основе созданы крупнотоннажные агрегаты по энерготехнологической схеме с глубокой рекуперацией тепла каталитических процессов конверсии СН4 и СО, метанирования и синтеза аммиака.

Первой ступенью процесса является каталитическая конверсия углеводородных газов водяным паром в трубчатой печи с внешним обогревом; здесь конвертируется основная часть углеводородов до конечного содержания СН4 около 10%. Следующей стадией является паровоздушная конверсия на катализаторе в шахтном реакторе. Оба процесса жестко связаны материально-тепловыми соотношениями. Количество воздуха, подаваемого в шахтный конвертор, должно быть таким, чтобы получаемая в итоге азотоводородная смесь имела стехиометрический состав (75% Н2 и 25% N2). Вместе с тем процесс в шахтном конверторе должен обеспечить требуемую полноту конверсии метана и быть автотермичным, следовательно количество конвертируемого в нем метана строго определено.

Температура, создаваемая в катализаторном слое трубчатой, печи за счет наружного обогрева реакционных труб, ограничена механическими свойствами применяемого металла, не допускающего превышения температуры нагрева наружной стенки трубы выше допустимой. В настоящее время конечная температура конвертируемой в трубчатой печи парогазовой смеси достигается 800—830 °С. Начальная температура парогазовой смеси на входе в реакционные трубы печи равна 510—525 °С.

Высокоактивный катализатор, загружаемый в трубчатую печь, а также низкотемпературный катализатор в конверторе СО второй ступени сохраняют активность при условии, что содержание соединений серы в 1 м3 природного газа не превышает 0,5 см3. Поэтому процессу конверсии метана должна предшествовать стадия очистки природного газа от серосодержащих соединений.

Ниже описан агрегат конверсии метана и оксида углерода производительностью 1360 т/сут аммиака (рис.1).

 

 


 

 

Рис. 1. Упрощенная схема двухступенчатой конверсии СН4 и СО под давлением:

1 — компрессор природного газа; 2 — газовый подогреватель; 3 — ре­актор; 4 — поглотитель; 5 — дымо­сос; 6, 7. 9, 10 — подогреватели со­ответственно природного газа, пи­тательной воды, паровоздушной и парогазовой смесей; 8 — паропере­греватель; 11 — реакционные трубы; 12 — трубчатая печь; 13 — конвертор метана II ступени; 14. 16 — паровые котлы; 15. 18 — конверторы СО I II ступени; 17 — теплообменник; 19 — компрессор воздуха.

 

 

Природный газ сжимается в компрессоре 1 до давления 4,6 МПа, затем к нему добавляют около 10% азотоводородной смеси от количества природного газа и смесь нагревают в газовом подогревателе 2 до 400°С. Для обогрева используется природный или другой горючий газ. Нагретый газ очищают от сернистых соединений вначале в реакторе 3, где на кобальтмолибденовом катализаторе сероорганические соединения восстанавливаются водородом до сероводорода, а затем в поглотителе 4, где на поверхности поглотительной массы, состоящей из ZnO, протекает реакция ZnO+H2S5 = ZnS+H2O. Для замены отработанной массы на свежую без остановки агрегата устанавливаются два поглотителя.

К очищенному газу добавляют водяной пар до соотношения 3,7:1 и полученную парогазовую смесь направляют в трубчатую печь 12, состоящую из радиационной и конвекционной камер. В радиационной камере размещены трубы, заполненные катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный или другой горючий газ. Полученные в горелках дымовые газы обогревают трубы с катализатором, затем тепло этих газов дополнительно рекуперируется в камере конвекции, где размещены подогреватели парогазовой и паровоздушной смеси, перегреватель пара высокого давления подогреватели питательной воды высокого давления и топливного газа.

Парогазовая смесь в подогревателе 10 камеры конвекции нагревается от 370—400 до 525° С и затем под давлением 3,7 МПа распределяется по большому числу параллельно включенных труб, заполненных катализатором, проходя их сверху вниз. При этом температура смеси повышается за счет радиационного обогрева до 825 °С на выходе из труб, а содержание метана снижается в результате реакции до 9—10%.

Процесс конверсии завершается в конверторе метана второй ступени 13. Центробежный компрессор 19 сжимает воздух до давления 3,6 МПа, затем к нему добавляется водяной пар до соотношения пар: воздух=0,1:1 и паровоздушная смесь подогревается в конвективной части печи до 480— 485 °С. В верхнюю часть конвертора метана второй ступени, являющуюся смесителем, поступают раздельные потоки парогазовой и паровоздушной смеси в соотношении, требуемом для обеспечения практически полной конверсии метана и получения в конечном итоге стехиометрической азотоврдородной смеси. Вначале идут экзотермические процессы окисления части водорода, метана и оксида углерода конвертированного газа кислородом воздуха, при этом температура в конверторе резко повышается. Затем на катализаторе идет эндотермический процесс конверсии метана водяным паром.

Температура конвертированного газа на выходе из аппарата 13 равна 980—1000°С; состав газа (в пересчете на сухой газ, в объемн.%): Н2 —57,6; СО— 11,2; СО2 — 8,4; N2 —22,5; СН4 — 0,3. Содержание водяного пара в газе соответствует отношению пар : газ=0,7:1. В двух параллельно включенных паровых котлах 14 (на схеме показан один), вырабатывающих пар давлением 10,5 МПа, конвертированный газ охлаждается до 380—420 °С и поступает в конвертор СО первой ступени 15 с объемной скоростью 1500 ч-1. Здесь на среднетемпературном железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром с получением водорода и СО2. За счет тепла процесса температура газа повышается до 445 °С, а концентрация СО снижается до 3,6%. Затем в паровом котле 16, в котором также вырабатывается пар давлением 10,5 МПа, и в теплообменнике 17 парогазовая смесь охлаждается соответственно до 340 и 225 °С. При температуре 225 °С и объемной скорости 2400 ч-1 смесь проходит конвертор СО второй ступени 18, в который загружен активный низкотемпературный катализатор, где содержание СО снижается до 0,5—0,6%. Низкотемпературный катализатор, легко отравляемый ядами, здесь может быть с успехом использован, так как природный газ был предварительно очищен от соединений серы. Состав конвертированного газа (в объемн.%) следующий: Н2— 61,7; СО —0,50; СО2—17,4; N2+Ar —20,1; СН4 —0,3; температура газа 255 °С; соотношение пар: газ = 0,4:1.

В конвертированный газ впрыскивается конденсат, при этом его температура снижается до 175 °С, затем тепло газа используется в кипятильнике регенератора моноэтаноламиновой очистки и далее поступает на очистку от СО2.

Двухступенчатая паровая и паровоздушная каталитическая конверсия углеводородных газов и конверсия СО под давлением являются первой стадией энерготехнологической схемы производства , аммиака. Тепло химических процессов стадий конверсии СН4, СО, метанирования и синтеза аммиака используются для нагревания воды высокого давления и получения перегретого пара давлением 10,6 МПа. Этот пар, поступая в паровые турбины, приводит в движение компрессоры и основные насосы производства аммиака, а также используется для технологических целей. Организация такого производства аммиака позволяет снизить потребление электроэнергии.

Основным видом оборудования агрегата является трубчатая печь — прямоугольная двухкамерная печь с металлическим каркасом, футерованная высококачественными огнеупорами. Печь состоит из камеры радиации (рис. 2) и камеры конвекции и соединена дымоходом с дымососом и дымовой трубой. Печь имеет наружный металлический кожух 1. Длина печи 26,12 м, ширина радиационной камеры 21,50 м, строительная высота этой камеры 18,335 м. К камере конвекции пристроен пусковой котел высокого давления, в котором получают пар давлением 10,5 МПа. Он служит для пуска установки и в случае необходимости выработки некоторого количества пара при эксплуатации агрегата. В камере радиации вертикально размещены 12 рядов труб 6 (504 трубы), внутренний диаметр которых 71 мм, толщина стенки 21,5 мм, каждая труба высотой 10,755 м.

Трубы заполнены катализатором. Общий объем загруженного катализатора 20,4 м3. Катализатор представляет собой кольца наружным диаметром 15 мм,, внутренним диаметром 7 мм, высотой 12 мм. Допускаемая температура нагревания трубы при давлении 3,7 МПа 930гС. Трубы изготовлены методом центробежного литья. Сплав содержит 24—28% хрома и 18—22% никеля. Способ присоединения труб к коллекторам 2 позволяет им свободно удлиняться в результате нагревания.

В верхнем своде камеры радиации между рядами реакционных труб для их обогрева расположены 260 инжекционных горелок факельного типа 8.

В камере конвекции П-образного типа размещены, как указывалось выше, 4 подогревателя и пароперегреватель высокого давления, обогреваемые дымовыми газами, которые поступают из камеры радиации по сборным дымоходам 4 при начальной температуре 1050 °С и покидают трубчатую печь при температуре 160—200 °С. Объем дымовых газов 400 тыс. м3/ч. В дымоходе перед камерой и в камере конвекции также имеются горелки, обеспечивающие при необходимости дополнительный подвод тепла.

Конвертор метана второй ступени (рис. 3) представляет собой вертикальный аппарат, в верхней части которого расположена смесительная камера 11. В нижней конусной части аппарата выложен свод 6, на который укладываются шары из глинозема 5, а на них никелевый катализатор 9 в форме колец общим объемом 38,5 м3. Внутри аппарат футерован жаропрочным бетоном 10. Снаружи аппарат имеет водяную рубашку 4, не допускающую опасных перегревов корпуса аппарата при дефектах футеровки. Внутренний диаметр аппарата 3,73 м, высота его (с опорой) — 17,41 м.

Автоматизация агрегата. Управление агрегатом ведут из центрального пункта управления (ЦПУ). Для стабилизации процесса давление основных потоков — природного газа, поступающего на конверсию, водяного пара, воздуха и природного газа (или другого горючего газа), подаваемых на обогрев, поддерживается автоматически на заданном уровне. Управление процессом ведут по расходу природного газа на конверсию. Автоматически с помощью регуляторов соотношения устанавливают задаваемые потоки пара, воздуха и горючего газа. Автоматически поддерживается температура основных газовых потоков: природного газа до сероочистки, парогазовой смеси перед подачей в трубчатую печь и на выходе из нее, паровоздушной смеси перед поступлением в конвертор метана второй ступени, дымовых газов в обоих камерах печи, конвертированного газа перед конверторами СО первой и второй ступеней. Кроме того, имеются защитные блокировки, позволяющие безопасно остановить агрегат, например при прекращении подачи природного газа, пара или технологического воздуха.

       
 
 
   
Рис. 2. Общий вид радиационной ка­меры трубчатой печи: 1— кожух; 2 — коллекторы парогазовой смеси; 3 — коллектор конвертированного газа; 4 — сборные дымоходы; 5 — нижние секционные коллекторы; 6 — реакционные трубы; 7 — газо-отводящне трубы; 8 — горелки.

 


 
 

 






Дата добавления: 2016-10-26; просмотров: 3962; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.031 сек.