4 Описание технологического процесса и схемы

4.1 Описание технологического процесса

Технологический процесс получения синтетического аммиака состоит из следующих стадий:

• сероочистка природного газа;

• паровая конверсия метана;

• паровоздушная конверсия метана;

• конверсия оксида углерода;

• очистка конвертированного газа от диоксида углерода;

• тонкая очистка конвертированного газа от оксида и диоксида углерода метанированием;

• синтез аммиака.

4.1.1 Сероочистка природного газа

Очистка природного газа от серосодержащих соединений производится в две стадии.

На первой стадии происходит гидрирование серо­орга­ни­чес­ких веществ на алюмоникельмолибденовом катализаторе. При температуре 250-400 С и давлении не более 4,12 МПа (42 кгс/см²) на нем протекают следующие реакции:

COS + H₂ H₂S + CO (4.1)

CS₂ + 4H₂ 2H₂S + CH₄ (4.2)

C₄H₄S + 4H₂ H₂S + C₄H₁₀ (4.3)

C₂H₅SH + H₂ H₂S + C₂H₆ (4.4)

На второй стадии процесса происходит поглощение сероводорода поглотителем на основе активного оксида цинка по реакции:

ZnO + H₂S ZnS + H₂O (4.5)

4.1.2 Паровая конверсия метана

Природный газ, очищенный от серосодержащих соединений, при температуре не более 830 С и давлении не более 3,63 МПа (37 кгс/см²) подвергается конверсии с водяным паром в присутствии никелевого катализатора по следующим реакциям :

CH₄ + H₂O CO + 3 H₂ – 206,4 кДж/моль (– 49,3 ккал/моль) (4.6)

CO + H₂O CO₂ + H₂ + 41,2 кДж/моль (+ 9,8 ккал/моль) (4.7)

CH₄ + CO₂ 2 CO + 2 H₂ – 247,0 кДж/моль (– 59,1 ккал/моль) (4.8)

4.1.3 Паровоздушная конверсия метана

На данной стадии при температуре не более 1 270 С и давлении не более 3,33 МПа (34 кгс/см²) на никелевом катализаторе происходит паровоздушная конверсия метана по следующим реакциям:

H₂ + 1/2 O₂ H₂O + 242,7 кДж/моль (+ 57,8 ккал/моль) (4.9)

CO + 1/2 O₂ CO₂ + 283,5 кДж/моль (+ 67,5 ккал/моль) (4.10)

CH₄ + O₂ CO₂ + 2 H₂ + 319,0 кДж/моль (+ 76,0 ккал/моль) (4.11)

CH₄ + 1/2 O₂ CO + 2 H₂ + 35,7 кДж/моль (+ 8,5 ккал/моль) (4.12)

CH₄ + H₂O CO + 3 H₂ – 206,4 кДж/моль (– 49,3 ккал/моль) (4.13)

CH₄ + CO₂ 2 CO + 2 H₂ – 247,0 кДж/моль (– 59,1 ккал/моль) (4.14)

CO + H₂O CO₂ + H₂ + 41,2 кДж/моль (+ 9,8 ккал/моль) (4.15)

4.1.4 Конверсия оксида углерода

Процесс конверсии оксида углерода описывается уравнением реакции:

СО + Н₂О СО₂ + Н₂ + 41,2 кДж/моль (+ 9,8 ккал/моль) (4.16)

В существующей схеме конверсия оксида углерода осуществляется в 2 стадии:

высокотемпературная конверсия, низкотемпературная конверсия.

Процесс высокотемпературной конверсии оксида углерода протекает на железохромовом катализаторе при температуре не более 450 С и давлении не более 3,14 МПа (32 кгс/см²). Низкотемпературная конверсия оксида углерода осуществляется на цинкмедном (цинкхроммедном) катализаторе при температуре не более 255 С и давлении не более 2,94 МПа (30 кгс/см²).

4.1.5 Очистка конвертированного газа от диоксида углерода

Очистка конвертированного газа от диоксида углерода осуществляется раствором карбоната калия, активированным диэтаноламином (раствор “Карсол”) и протекает по реакции:

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O 2 KHCO₃ + Q (4.17)

Q = + 478,8 кДж/кг СО₂ (+ 114,0 ккал/кг СО₂)

4.1.6 Тонкая очистка конвертированного газа от оксида и диоксида углерода

(метанирование)

Тонкая очистка газа от кислородосодержащих соединений (СО и СО₂), являющихся ядами для катализатора синтеза аммиака, производится путем восстановления их до метана водородом на никелевом катализаторе при температуре не более 375 С и давлении не более 2,55 МПа (26,0 кгс/см²). Данный метод основан на протекании следующих обратимых экзотермических реакций гидрирования:

СО + 3 H₂ СН₄ + Н₂О + 206,0 кДж/моль (+ 49,3 ккал/моль) (4.18)

СО₂ + 4 Н₂ СН₄ + 2 Н₂О + 167,0 кДж/моль (+ 39,8 ккал/моль) (4.19)

4.1.7 Синтез аммиака

Синтез аммиака протекает при температуре не более 538 С и давлении не более 31,38 МПа (320 кгс/см²) по реакции:

3 Н₂ + N₂ 2 NН₃ + 52,38 кДж/моль (+ 12,51 ккал/моль) (4.20)

Катализатором синтеза аммиака является промотированное железо.

4.2 Описание технологической схемы

4.2.1 Компремирование и сероочистка природного газа

Природный газ на установку подается с газораспределительной станции "Моторово" с давлением 1,962-2,747 МПа (20-28 кгс/см²) по коллектору диаметром 400 мм. Отделение от природного газа конденсата и механических примесей производится в циклонах-сепараторах поз 2479-F, 2535-F. Газ входит в сепараторы тангенциально, на выходе из сепараторов смонтирован фильтр из металлической сетки. Для прекращения поступления газа на установку в аварийных ситуациях установлена электрозадвижка EmV-123, управляемая с ЦПУ. Для снижения давления до значений 1,079-1,569 МПа (11-16 кгс/см²) предусмотрен узел ре­дуцирования с двумя параллельно установленными регулирующими клапанами (PICA-9, PICA-35^*). Далее газ, пройдя электрозадвижку EmV-18, распределяется на два потока.

О

* - здесь и далее латинское буквенно-цифровое обозначение клапанов, датчиков, приборов соответствует их

условному обозначению как контрольных точек распределенной системы управления TDC-3000

сновная часть природного газа, используемая в качестве сырья, с объемным расходом не более 37 000 м³/ч (при н.у.) поступает через клапан PIC-1 в сепаратор поз. 120-F, установленный на всасе компрессора природного газа поз. 102-J.

Остальная часть природного газа с объемным расходом не более 29 000 м³/ч (при н. у.) поступает в систему топливного газа через клапан PIC-7 в сепаратор поз. 121-F. Имеется дополнительный контур регулирования давления топливного газа с клапаном PIC-7”A”, который вступает в работу при снижении давления и работает по специальной программе. В линию топливного газа перед 121-F предусмотрена подача метановой фракции с участка разделения остаточных газов под давлением не менее 0,981 МПа (10 кгс/см²) c объемным расходом не более 1 900 м³/ч (при н. у.), и газов дегазации из ловушек компрессора синтез-газа поз. 103-J.

Для сжатия природного газа используется двухступенчатый компрессор поз. 102-J. Каждая ступень выполнена в виде отдельного корпуса. На всасе первой ступени компрессора поддерживается давление природного газа в пределах 0,687-0,981 МПа (7,0-10,0 кгс/см²) клапаном PIC-1. После сжатия в 1 ступени компрессора газ имеет следующие параметры: давление - не более 2,256 МПа (23,0 кгс/см²), температура - не более 135,0 С. Снижение температуры газа до 10-49 С происходит в воздушном холодильнике поз. 191-C (два вентилятора). Регулирование температуры осуществляется изменением частоты вращения электродвигателя вентилятора поз. 191-С-12 с помощью регулятора TIC-451-13. Далее через межступенчатый сепаратор поз. 157-F газ поступает на всас 2 ступени. После 2 ступени газ должен иметь следующие параметры: давление не более 4,315 МПа (44,0 кгс/см²), температуру не более 155 С.

Конденсат, выделенный из газа в сепараторах поз. 120-F и 157-F, через клапаны LIC-2 и LIC-66 сбрасывается в сепаратор топливного газа поз. 121-F, а оттуда через клапан LIC-1 может выдаваться за пределы цеха или сливаться в передвижную ёмкость.

Для регулирования нагрузки компрессора и защиты его от помпажа предусмотрена антипомпажная линия с клапаном FICA-12. По этой линии часть газа перепускается с нагнетания 2 ступени на всас 1 ступени через воздушный холодильник поз. 192-С (два вентилятора). В антипомпажную линию компрессора при работе участка разделения остаточных газов возможна подача метановой фракции под давлением не менее 0,981 МПа (10,0 кгс/см²) и объемным расходом не более 1 500 м³/ч (при н.у.).

Для обеспечения нормальной работы системы сероочистки объемная доля водорода, необходимого для гидрирования серосодержащих соединений, в природном газе должна быть в пределах от 3 до 11 %.

Для этой цели при нормальной работе агрегата предусматривается подача или продувочных газов цикла синтеза аммиака после сепаратора поз. 108-F, или азотоводородной смеси (АВС) с нагнетания 2 ступени компрессора поз. 103-J через клапан FrRC-17 в линию природного газа от компрессора поз. 102-J. Предусмотрена подача АВС со всаса 1 ступени компрессора поз. 103-J на всас компрессора поз. 102-J через клапан FIC-8. При остановке 103-J подача АВС автоматически переводится с FrRC-17 на FIC-8. При пуске цеха АВС подается из цеха аммиак-3 через клапан FIC-8.

С нагнетания 2 ступени компрессора поз. 102-J природный газ, смешиваясь с АВС, направляется в змеевик природного газа, установленный в конвекционной зоне печи реформинга поз. 101-В после змеевика топливного газа, где нагревается до температуры 250-280 С за счет теплообмена с дымовыми газами.

После змеевика природный газ с температурой 250-280 С поступает в реактор поз. 101-D.

Реактор поз. 101-D двухполочный. Верхняя полка заполнена алюмоникельмолибденовым катализатором. Объем загрузки катализатора составляет 17 м³. На нем при температуре 250-400 С протекают реакции гидрирования сероорганических соединений до сероводорода (4.1)-(4.4).

Нижняя полка заполнена оксидноцинковым поглотителем. Объем поглотителя составляет 17 м³. На поглотителе происходит связывание сероводорода по реакции (4.5). Массовая концентрация сероводорода в газе после сероочистки должна быть не более 0,5 мг/м³.

Далее природный газ смешивается с водяным паром и поступает в печь первичного реформинга поз. 101-В.

В случае повышения концентрации сероводорода на выходе из 101-D возможно подключение в работу реакторов сероочистки поз. 102-DА/DВ, работающих последовательно. Каждый реактор заполнен оксидноцинковым поглотителем, объем которого составляет 31,15 м³. Объем поглотителя рассчитан на связывание серы массой не более 4 250 кг.

Предусмотрена возможность замены поглотителя в одном из реакторов без остановки агрегата. Реактор со свежим поглотителем включается вторым по ходу газа.

Для проведения пусковых операций, а также для поддержания необходимой температуры природного газа на входе в отделение сероочистки в случае снижения температуры на выходе из змеевика менее 250 С, предусмотрено подключение в технологическую схему огневого подогревателя поз. 103-В. Огневой подогреватель природного газа имеет четыре горелки и две зоны обогрева: верхнюю-конвекционную и нижнюю-радиантную. Регулирование температуры природного газа после подогревателя поз. 103-В осуществляется посредством клапана TRCA-1, который изменяет расход топливного газа на горелки подогревателя. Предусмотрена возможность сброса технологического газа после 103-В на факельную установку поз. 102-U.