Технологические схемы синтеза аммиака.

В зависимости от применяемого давления агрегаты синтеза аммиака делятся на три группы: работающие при среднем дав­лении 25—36 МПа, при высоких давлениях 45—100 МПа и при низких давлениях 10—20 МПа.

В нашей стране работают и строятся преимущественно агрегаты среднего давления, эксплуатируется также несколько агрега­тов под давлением 45 МПа. В мировой практике также наи­большее распространение получили агрегаты среднего давле­ния. Независимо от применяемого давления в состав агрегата входит колонна синтеза, теплообменная и конденсационная ап­паратура, сепараторы для выделения жидкого аммиака из азо­товодородной смеси и циркуляционный компрессор (или ин­жектор) для возврата непрореагировавшей азотоводородной смеси в колонну синтеза.

Основным аппаратом агрегата является колонна синтеза. Она имеет катализаторную коробку, в которой размещен ката­лизатор, итеплообменник, где азотоводородная смесь нагрева­ется до температуры синтеза аммиака за счет тепла газовой смеси, прошедшей катализатор.

Во многих конструкциях в слое катализатора размещены теплообменные трубки. С их помощью отводится тепло реак­ции так, чтобы катализатор работал при температурах, близких к оптимальным. Наличие требуемой теплообменной поверхности обеспечивает работу колонны без подвода тепла извне, а лишь за счет рекуперации тепла реакции. В новейших конструкциях колонн синтеза тепло реакции используется более полно не только для подогрева азотоводородной смеси, но и для выра­ботки пара или подогрева воды, подаваемой на выработку па­ра. Для разогрева катализатора и его восстановления при пу­ске колонны синтеза имеется внутренний электроподогреватель либо выносной газовый подогреватель.

На современных установках для охлаждения азотоводород­ной смеси и конденсации аммиака применяется воздух и жидкий аммиак. На старых установках вместо воздуха используется вода.

Для циркуляции азотоводородной смеси в агрегатах мощ­ностью 1360 т/сут аммиака служит циркуляционное колесо, размещенное в корпусе центробежного компрессора азотово­дородной смеси, создающее перепад давления, равный 3 МПа. На более мелких установках для этой цели установлены цент­робежные циркуляционные компрессоры, которые заменили ра­ботавшие ранее поршневые циркуляционные компрессоры. По­следние загрязняли газ парами масла и для их обслуживания требовалось большое число эксплуатационного и ремонтного» персонала.

Агрегат с центробежным циркуляционным компрессором.

Азотоводородная смесь, содержащая 86% N₂+Н₂), 3,5— 4% NH₃ и 10—10,5% (СН₄+Аr), под давлением 32 МПа посту­пает в колонну синтеза 2 (рис.1), где при объемной скоро­сти 20000—25000 ч^-1 и температуре 450—520 °С образуется ам­миак. Из колонны синтеза при 160—170 °С выходит азотоводо­родная смесь,

содержащая 73,5—74% (N₂+Н₂), 15—15,5% -NН₃, 11—11,5% (СН₄+Аr). Она охлаждается, проходя по трубкам водяного конденсатора 1, при этом часть образовавшегося аммиака конденсируется. Газ, охлажденный до 25—35 °С, про­ходит сепаратор 6, где сконденсировавшийся аммиак отделяют ют газа, дросселируют до 1,6 МПа и сливают в сборник жидкого аммиака 7, а из него направляют на склад аммиака. В резуль­тате дросселирования аммиака из него выделяют танковые га­зы, т. е. газы, растворившиеся в жидком аммиаке высокого дав­ления.

После сепаратора 6 газовая смесь направляется на дальней­шее охлаждение и конденсацию аммиака в конденсационную колонну 4. В верхней ее части расположен теплообменник, ниж­няя часть колонны является сепаратором. Проходя через тепло­обменник конденсационной колонны, а затем испаритель 5, га­зовая смесь охлаждается до (—5) — (10)°С кипящим в меж­трубном пространстве аммиаком. Далее в сепарационной части колонны сконденсировавшийся аммиак отделяют от газов, дрос­селируют до 1,6 МПа и сливают в сборник 7, а затем передают на склад.

В конденсационной колонне в слой жидкого аммиака вво­дят свежий газ, в котором помимо азота и водорода содержит­ся около 1% (СН₄+Аr), водяные пары и следы СО и С0₂. При барботировании через слой жидкого аммиака из свежего газа вымываются катализаторные яды — Н₂0 и С0₂, затем газ сме­шивается с основным потоком азотоводородной смеси, выходя­щей из испарителя, отдает свой холод в теплообменнике кон­денсационной колонны и поступает в циркуляционный компрес­сор 3 центробежного типа при температуре примерно 20—23 °С.

Таким образом, теплообменник конденсационной колонны выполняет важную роль — рекуперирует холод циркуляционно­го газа и уменьшает расход жидкого аммиака на охлаждение газа в испарителе. Назначением циркуляционного компрессора является сжатие циркуляционного газа до 32 МПа и подача его в колонну синтеза, что замыкает цикл синтеза. С помощью компрессора компенсируется потеря напора, равная 2,5—3 МПа, при прохождении азотоводородной смеси через аппаратуру и коммуникации цикла синтеза.

Центробежный циркуляционный компрессор (ЦЦК) приво­дится в движение электродвигателем с постоянным числом обо­ротов и имеет постоянную производительность. Поскольку газо­вая нагрузка на колонну синтеза меняется по мере старения катализатора и снижения его активности, предусмотрено регу­лирование потока газа, подаваемого в колонну синтеза. Избы­точное количество газа, подаваемого ЦЦК, по байпасу поступа­ет в межтрубное пространство теплообменника конденсационной колонны, проходит испаритель и трубное пространство конден­сационной колонны и вновь проходит через ЦЦК. При цирку­ляции азотоводородной смеси часть ее на катализаторе превращается в аммиак; присутствующие в газе аргон и метан посте­пенно накапливаются в цикле синтеза аммиака. Во избежание накопленияинертных примесей небольшая часть азотоводород­ной смеси (продувочные газы), содержащая примерно 11 % ар­гона и метана, непрерывно выводится из цикла синтеза после сепаратора 6 и поступает на установку для поглощения содер­жащегося в смеси аммиака водой с получением аммиачной во­ды. Непоглощенные газы, содержащие водород, азот, метан и аргон, используются как горючие газы.

Агрегат высокого давления с инжектором.

На рис. III.4 показана схема агрегата мощностью 75 000 т/год аммиака, работающего под давлением 44 МПа. По этой схеме перерабатывается азотоводородная смесь (свежий газ), очищенная от катализаторных ядов промывкой жидким азотом. Содержание инертных газов в ней очень мало, поэтому постоянная продувка не требуется. В свежем газе отсутствуют водяные пары и диоксид углерода. Такой газ подается в цикл непосредственно перед колонной синтеза. Свежий газ из отде­ления компрессии под давлением 49 МПа поступает в инжек­тор 6, т. е. в газоструйный циркуляционный компрессор.

Cвежий газ поступает в сопло ин­жектора 3, профиль и сечение которого выбирают таким обра­зом, чтобы поток свежего газа выходил из сопла с очень боль­шой скоростью. Циркуляционный газ под давлением 43 МПа входит в смесительную камеру инжектора, расположенную по­сле сопла. За счет кинетической энергии струи свежего газа, вытекающей из сопла, циркуляционный газ засасывается пото­ком свежего газа и поступает в расширяющийся диффузор 1, где кинетическая энергия газового потока преобразуется в давление, равное 44 МПа. Затем газовая смесь подается в колонну синтеза 5 (см. рис. III.4), проходит теплообмен­ник, нагреваясь в нем до 440—450 ^СС, и попадает в катализаторную короб­ку. Здесь на четырех полках размеще­ны четыре слоя катализатора. После каждого из первых трех слоев ката­лизатора расположены змеевики, по которым циркулирует бидистиллят (дважды дистиллированная вода) вы­сокого давления. Бидистиллят нагре­вается за счет охлаждения азотоводородной смеси до 450—460 °С и отво­дит таким образом тепло реакции образования аммиака в каж­дом слое катализатора.

Конвертированный газ проходит четвертый слой катализа­тора и поступает в теплообменник колонны синтеза, где охлаж­дается от 500—510 до 100—120°С и нагревает газ, направляе­мый на синтез аммиака. Газ, выходящий из колонны синтеза и содержащий 20—22% аммиака, охлаждается до 25—35 °С в вертикальном погружном водяном конденсаторе 7. Сконденси­ровавшийся аммиак выделяется в сепараторе 8. После сепара­тора жидкий аммиак дросселируют до 1,8 МПа; его сливают в промежуточный сборник 9, а из него передают на склад для отгрузки потребителю. Циркуляционный газ из сепаратора, со­держащий 6—8% аммиака, поступает в инжектор 6 и цикл син­теза замыкается.

Бидистиллят, нагретый в змеевиках колонны синтеза, охлаж­дается до 260 °С в трубах котла 4. При этом питательная вода, додаваемая в межтрубное пространство котла, испаряется, об­разуя 7,75 т/ч насыщенного пара при давлении 3,2 МПа и тем­пературе 237 °С. Следовательно, на 1 т аммиака получают 0,85 т насыщенного пара. Бидистиллят по выходе из парового котла засасывается циркуляционным насосом высокого давления 3 производительностью 40 м³/ч и подается вновь в змеевики ко­лонны синтеза. Для восполнения потерь циркулирующего бидистиллята устанавливают насос высокого давления произво­дительностью 80 л/ч.

Для поддержания определенного давления циркулирующего бидистиллята и для подпитки системы установлен уравнитель­ный сосуд 2, в верхнюю часть которого подводят свежий газ под давлением 49 МПа. К качеству бидистиллята (содержание солей) предъявляются жесткие требования (контроль осуществ­ляется путем измерения омического сопротивления бидистиллята). Это необходимо для предотвращения забивки солями теплопередающих поверхностей змеевиков и парового котла.

К особенностям этого агрегата, обусловленным применением высокого давления относятся:

1) высокая концентрация аммиака после колонны синтеза;

2) простота технологической схемы (отсутствие аммиачно­го охлаждения, так как весь аммиак конденсируется в водяном конденсаторе);

3) получение только жидкого аммиака, что облегчает его последующее использование и переработку в карбамид и азот­ную кислоту;

4) применение инжектора для циркуляции газа, что значи­тельно проще; однако к. п. д. инжектора значительно ниже, чем. к. п. д. ЦЦК;

5) использование тепла синтеза аммиака для выработки на­сыщенного водяного пара (0,85 т/т аммиака, что эквивалентно получению 2300 МДж тепла);

6) компрессоры, сжимающие газ до 49 МПа, значительно сложнее компрессоров, сжимающих газ до 32 МПа, поэтому возрастает расход электроэнергии на сжатие азотоводородной смеси.

В целом этот агрегат менее экономичен, чем агрегаты мощ­ностью 1360 т/сут аммиака, поэтому он получил весьма ограни­ченное применение.

Агрегат мощностью 1360 т/сут аммиака.

В настоящее время практически все вводимые в эксплуата­цию агрегаты синтеза аммиака рассчитаны на мощность 1360 т/сут. Схема этого агрегата показана на рис. 3.

Рис. 3 Схема агрегата синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут:

1— газовый подогреватель; 2 — колонна синтеза; 3 — подогреватель воды; 4 — выносной теплообменник; 5 — воздушный холодильник; 6 — сепаратор; 7 — циркуляционное колесо компрессора; 8 — конденсационная колонна; 9 — испаритель; 10 — сборник жидкого ам­миака; Р₁ Р₂, Р₂^/, Р₃, Р₄, P₅— регуляторы температур; Р₆, Р₇, Р₈, Р₉, Р₁₀ — регуляторы уровня; Р₁₁ — регулятор давления.

Циркуляционный газ входит во внутренний теплообменник колонны синтеза 2,
где нагревается до температуры начала реакции синтеза аммиака и проходит слои катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15—17%- За­тем конвертированный газ охлаждается в теплообменнике до 330 °С и в подогревателе воды 3 до 215 °С. В аппарате 3 боль­шая часть тепла синтеза аммиака расходуется на нагревание воды высокого давления от 102 до 310 ^СС. Эта вода испаряется в котлах конверсии метана и СО с образованием пара давлени­ем 10,5 МПа. Далее конвертированный газ охлаждается в вы­носном теплообменнике 4 до 65—75 °С и в воздушном холодиль­нике 5 до 30—40 °С. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется от газовой смеси в сепараторе 6. После 'сепаратора конвертированный газ сжимается от 28,5 до 31,5 МПа в циркуляционном колесе компрессора азотоводородной смеси 7, с помощью которой компенсируются потери давления в агрегате синтеза.

Дальнейшее охлаждение газа и конденсация аммиака про­исходят в теплообменнике конденсационной колонны S и в ис­парителе 9 (в последнем газ охлаждается до —4°С за счет ки­пения жидкого аммиака). Сконденсировавшийся аммиак от­деляется от газовой смеси в сепарационной части конденсаци­онной колонны, сюда же поступает свежий газ, который барботирует через слой жидкого аммиака, поглощающий водяные па­ры и следы С0₂. Циркуляционный газ, выйдя из конденсаци­онной колонны, поступает в выносной теплообменник 4, где на­гревается до 185—190 °С за счет тепла конвертированного га­за, проходящего по трубному пространству. Затем подогретый газ поступает в колонну синтеза и цикл синтеза замыкается.

Для разогрева и восстановления катализатора в колонне синтеза установлен газовый подогреватель 1. Циркулирующая в нем азотоводородная смесь постепенно нагревается до требуемой температуры, проходя по змеевикам подогревателя, ко­торые обогреваются горячими дымовыми газами, получаемыми путем сжигания горючих газов в горелках.

Жидкий аммиак из сепаратора 6 и конденсационной колон­ны 8 проходит фильтры жидкого аммиака (на схеме не показа­ны), где из него выделяется катализаторная пыль, унесенная конвертированным газом из слоя катализатора. Затем аммиак дросселируют до 4 МПа и отводят в сборники 10, а далее на склад. После сепаратора 6 непрерывно выводятся продувочные газы, содержащие 8—9% аммиака. В танковых газах из сборни­ков 10 содержание аммиака близко к 20%. Количество проду­вочных и танковых газов относительно велико, поэтому в состав агрегата включена установка выделения аммиака.

Танковые газы поступают в испаритель 3, где охлаждаются до —20°С; сконденсированный аммиак отделяется от газов в сепараторе 4 и передается на склад. Танковые газы, практи­чески свободные от аммиака, используются как горючий газ.

Газы постоянной продувки поступают в межтрубное прост­ранство конденсационной колонны 1 продувочных газов, охлаж­даются и затем в испарителе 2 дополнительно охлаждаются до —27 °С аммиаком, кипящим в межтрубном пространстве испа­рителя при —30 °С. Охлажденный газ вновь возвращают в кон­денсационную колонну для отделения сконденсировавшегося аммиака и для охлаждения в теплообменнике аппарата 1 по­ступающих продувочных газов.

После установки улавливания аммиака продувочные газы содержат 1% NH₃. Затем они дросселируются с 28,5 до 1 МПа и используются вместе с танковыми газами в горелках труб­чатой печи.