книги из ГПНТБ / Иоффе, Вениамин Борисович. Основы производства водорода

леновая фракция), накапливается в нижней части теплообменника 2 и в сепараторе 3, в котором улавливается этилен, уносимый коксовым газом из теплообменника 2.

Этиленовая фракция выводится из блока через дроссельные вентили 16 и теплообменник 12, предназначенный для охлажде­ ния азота.

Рис. 60. Схема блока разделения (разделительного агрегата) для получений азотоводородиой смеси из коксового газа методом глубокого охлаждения:

1 — теплая ветвь теплообменника; 2 — холодная ветвь теплообменника; з — сепаратор; 4 — дополнительный теплообменник; 5 — испаритель азота; в — промывная колонна; 7, 8 , 9, 10, 11 и 1 2 — змеевиковые теплообменники для азота высокого давления и фрак­ ций; 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 — дроссельные вентили для азота, метановой фракции, фракции окиси углерода и этиленовой фракции; и — вентиль на линии метановой фракции; 1 8 , 19 —

дроссельные вентили для азота.

Из теплообменника 2 коксовый газ поступает в добавочный теплообменник 4, где охлаждается испаряющимся метаном, азото­ водородной смесью и фракцией окиси углерода до —180° С. В этом аппарате сжижается большая часть метана и полностью все ос­ тальные углеводороды. Газожидкостная смесь (коксовый газ и конденсат) направляется затем в трубное пространство испари­

теля азота 5, где температура смеси снижается до —190° С. Охла­ ждение здесь производится азотом, кипящим в межтрубном про­ странстве аппарата. При температуре —190° С в жидкую фазу переходит почти весь метан и некоторая часть окиси углерода

иазота. Конденсат, выделяющийся в теплообменнике 4 и в испа­ рителе азота 5, собирается в виде метановой фракции в кубе последнего аппарата.

Метановая фракция из куба испарителя проходит теплообмен­ ник 7, дроссельный вентиль 14, теплообменники 4 (где испаряется)

и8, после чего разветвляется на 2 потока. Один поток, пройдя последовательно теплообменники 2 ж 1, выводится из блока,

окись углерода, кислород и остаточный метан, поступает в про­ мывную колонну 6. В промывной колонне газ орошается ж и д к и м азотом, в результате чего практически полностью удаляются окись углерода, метан и кислород. При этом газ, выходящий из

85 : 15. Для получения азотоводородной смеси с содержанием азота 25% к газу, выходящему из колонны, через дроссельный вентиль 13 добавляется азот. Азотоводородная смесь выводится из блока через теплообменники 4, 2 ж 1.

Продукт из нижней части промывной колонны, представляю­ щий собой фракцию окиси углерода, проходит дроссельный вен­ тиль 15, теплообменники 4, 2 (где отдает свой холод коксовому газу), теплообменник 11 (где отдает свой холод азоту высокого давления) и выводится из блока.

Азот высокого давления, охлажденный перед поступлением: в блок до —45° С, разделяется на три части. Одна часть азота высокого давления охлаждается в теплообменнике 12 этиленовой фракцией, другая — в теплообменнике 11 окисью углерода и третья — в теплообменнике 10 азотом низкого давления. Азот высокого давления, прошедший теплообменники 11 и 10, объеди­ няется и охлаждается в теплообменнике 9 азотом низкого давле­ ния до —135° С. К потоку азота высокого давления, выходящего из теплообменника 9, добавляется азот высокого давления, охлажденный в теплообменнике 12. После этого часть азота высо­ кого давления дросселируется (вентиль 13) до 12 ати и присоеди­ няется к газу, выходящему из промывной колонны. Другая, большая, часть азота высокого давления последовательно охла­ ждается в теплообменнике 8 до температуры минус 150—160° С, а в теплообменнике 7 до —180° С. По выходе из последнего ап­ парата азот высокого давления разделяется на два потока. Один поток дросселируется дроссельным вентилем 18 до давления

262 Глава X I

0,5 ати и направляется в межтрубное пространство испарителя 5. Другой поток дросселируется до 12 ати (вентиль 19) и напра­ вляется в змеевик, расположенный в межтрубном пространстве, в котором охлаждается до —190° С и конденсируется. После змеевика испарителя жидкий азот поступает на орошение про­ мывной колонны 6.

Испарившийся в аппарате 5 и дросселированный азот выво­ дится из блока через теплообменники 7 ,9 и 10.

Из всего количества азота высокого давления, поступающего в блок разделения, примерно 55% расходуется на промывку, 19% расходуется на дозировку азотоводородной смеси и 26% испаряется в испарителе 5 и возвращается в цикл. Таким образом, около трех четвертей азота, поступающего в блок, расходуется безвозвратно.

Этиленовая, метановая и фракция окиси углерода часто объеди­ няются и выпускаются с установки разделения в виде так назы­ ваемого «богатого» газа, теплотворной способностью 5500— 6000 ккал/нм3.

Кроме блоков разделения, компрессоров для сжатия коксового газа, устройств для очистки газа от СОг и для предварительного охлаждения газа, в состав установки разделения коксового газа входит также аппаратура аммиачного и азотного холодильного циклов. Аммиачный холодильный цикл, состоящий из аммиачного компрессора, промежуточной емкости и конденсатора аммиака, обеспечивает охлаждение коксового газа до —45° G. Азотный цикл, состоящий из азотного компрессора (сжимающего газ до 200 ати), теплообменника, аммиачного холодильника, обеспечи­ вает подачу в блок азота высокого давления, охлажденного до

—45° С.

Некоторые установки разделения снабжаются, кроме того, устройством для предварительной (до удаления СОг) дебензоляции коксового газа. В частности, устройством для предваритель­ ной дебензоляции коксового газа оборудованы установки Г-7500. Это устройство особенно полезно в тех случаях, когда исходный газ содержит много бензола. Аппаратура для предварительной дебензоляции состоит из теплообменников, аммиачных холодиль­ ников и сборника бензола. В теплообменниках температура газа снижается до +10° С за счет холода обратного газа, выходящего из аммиачных холодильников. В аммиачных холодильниках газ охлаждается до —45° С за счет испарения жидкого аммиака.

Работа этих аппаратов идентична работе теплообменника 7 и аммиачного холодильника 8 при охлаждении коксового газа до его поступления в блок (рис. 59).

Продолжительность работы блока разделения (до остановки его на размораживание) зависит от степени предварительной очистки газа. При достаточно полной очистке газа непрерывный

срок службы блока составляет обычно 1100—1350 часов (от 6,5 до 8 недель). По истечении этого срока блок отключается от рабо­ чего газа, размораживается и освобождается от накопившихся в нем примесей.

Для непрерывной работы установки разделения необходимы как минимум 2 блока. Переключение аммиачных холодильников на установке обычно производится через 8 часов, а фракционных теплообменников — через 4 часа. Блоки разделения коксового газа проектируются на производительность от 3000 нм3/час и выше, считая на азотоводородную смесь. В табл. 63 приводится газовый баланс и составы фракций при разделении коксового газа с получением азотоводородной смеси. Производительность блока принята равной 7000 нм3/час по исходному коксовому газу.

Давления газов и отдельных фракций на установке разде­ ления коксового газа обычно поддерживается следующими (ати):

Разделение коксового газа о получением технического водорода

При получении технического водорода из коксового газа должны быть удалены не только основные количества метана и окиси углерода, но и большая часть азота. Очевидно, что при по­ лучении технического водорода извлечение СО из газовой смеси путем промывки последней жидким азотом нецелесообразно. В данном случае удаление примесей из газа осуществляется в ос­ новном только методами фракционированной конденсации.

В обычной схеме разделения коксового газа с получением азотоводородной смеси, основанной на использовании дроссель­ ного эффекта, примерный состав газовой смеси после ожижения метана в азотном испарителе представляется следующим (об. %):

На - 88 -91; СО - 5 -6 ; Na - 3 - 4 ; СН* - 0,5-1,0; Оз - 0,8 -1 ,0 .

Из последних четырех компонентов наиболее близким к водо­ роду по температуре кипения является азот. Поэтому при стрем­ лении получить водород с минимальным количеством примесей ■определяющими будут условия фазового равновесия системы водород —■азот. Рассмотрение фазового равновесия этой двух­ компонентной системы при различных температурах и давлениях

266 Глава X I

В практических условиях получение 97—98%-ного водорода из коксового газа осуществляется фракционированной конден­ сацией компонентов газа при давлении 16 атм со ступенчатым

в межтрубном пространстве которого испаряется под глубоким вакуумом жидкий азот >). Необходимое разрежение обычно соз­ дается двухступенчатым вакуум-насосом. Жидкий азот, стекаю­ щий из конденсатора в колонну 6, служит флегмой для ректифи­ кации водорода.

С х е м а р а з д е л е н и я к о к с о в о г о г а з а с п р и м е н е н и е м п р и н ц и п а о т д а ч и в н е ш н е й

р а б о т ы

На этом принципе основана схема получения азотоводородной фракции по способу Клода. По этому способу промывка газа жид­ ким азотом с целью извлечения СО не предусматривается. Полу­ чение азотоводородной фракции осуществляется путем фракцио­ нированной конденсации всех компонентов коксового газа, за исключением водорода и азота.

Температуры, необходимые для конденсации СО в данных условиях (примерно минус 200—210° С) обеспечиваются за счет расширения азотоводородной фракции в детандере.

Принципиальная схема установки, работающей по способу Клода, состоит в следующем (рис. 62). Коксовый газ, предвари­ тельно сжатый до 25 атм и очищенный от нежелательных приме­ сей (H2S, СОг, С6Н6 и др.), проходит один из переключающихся теплообменников 1 и теплообменник 2. В теплообменниках 1 коксовый газ охлаждается обратным богатым газом и азотоводо­ родной фракцией до —65° С. В теплообменнике 2 газ охлаждается теми же фракциями до —100° С. Здесь конденсируются пропилен, большая часть этилена и этана и сравнительно незначительные количества метана.

Далее газ направляется в теплообменник 3, в котором охла­ ждается азотоводородной фракцией, уходящей из колонны 4—5.

1) Для достижения температуры —209° С остаточное давление в верхней части колопны должно быть 9 мм рт. ст.

пространство конденсатора 4, являющегося нижней частью ко­ лонны 4—5. Конденсат, собирающийся на дне колонны, дроссели­ руется до 1,5 атм в межтрубное пространство конденсатора 4 и испаряется. За счет холода, выделяющегося при испарении ме­ тана под низким давлением, газ, находящийся в трубном простран­ стве конденсатора 4, охлаждается и из него выделяется в виде

Рис. 62. Схема разделения коксового газа с применением принципа отдачи внешней работы (способ Клода):

J, 2, з — теплообменники; 4 — конденсатор (нишняя часть колонны 4 — 5); 5 — конден­ сатор (верхняя часть колонны 4 — 5 ) , в — детандер.

I — коксовый газ; I I — азотоводородная фракция; I I I — богатый газ.

жидкости остальное количество метана. Неожиженная газовая смесь, состоящая из Н2, N2, СО и незначительной части CKU, поступает затем в трубное пространство конденсатора 5, располо­ женного непосредственно над конденсатором 4. Межтрубное пространство конденсатора 5 По высоте разделено перегород­ кой на две части. В трубном пространстве конденсатора 5 за счет охлаждения сначала испаряющейся окисью углерода, а затем

.азотоводородной фракцией — из газовой смеси конденсируется ■СО. Сжиженная окись углерода дросселируется в нижнюю часть

268 Глава X I

с метановой фракцией, образуя так называемый «богатый газ». Богатый газ отдает свой холод в теплообменниках 2 ж 1.

Несконденсированная газовая смесь, содержащая теперь Н2, N2 с примесью СО, перетекает по центральной трубе сверху вниз в среднюю часть колонны (пространство между конденсато­ рами 5 и 4) и через теплообменник 3, где частично отдает свой холод коксовому газу, направляется в детандер 6. В детандере газ расширяется с 25 до 1,5 атм. При этом температура газа снижается до —210° С.

Холод азотоводородной фракции, прошедший детандер, исполь­ зуется в верхней части межтрубного пространства конденсатора 5, а затем в теплообменниках 2 ж1.

В табл. 65 приводятся примерные составы фракций, получае­ мых по данному способу.

Таблица 65

Составы фракций при разделении коксового газа методом глубокого охлаждения с применением детандерного эффекта

Компоненты газов, об. %

По сравнению с разделением коксового газа по схеме, основан­ ной на использовании дроссельного эффекта, установка Клода несколько проще. В последней отсутствует аммиачный цикл,, цикл азота высокого давления, промывная колонна. Однако азотоводородная фракция на установке Клода получается загряз­ ненной СО (около 1 об.%), что требует дополнительной очистки газа от этого соединения.

В связи с тем, что на данной установке рабочее давление про­ цесса выше, чем на установке, работающей по принципу исполь­ зования только дроссельного эффекта (25 вместо 12 атм), выход, водорода (от потенциала его в исходном газе) здесь несколька уменьшен (за счет большей растворимости во фракциях при повы­ шенных давлениях) и составляет около 85%.

Т е х н и ч е с к и й в о д о р о д из г а з о в г и д р и р о в а н и я

На некоторых гидрогенизационных заводах в Германии по­ требность в водороде частично покрывалась за счет свободного водорода, содержащегося в газах гидрирования. При этом водород