Теплообменная аппаратура

Подогреватель воды предназначен для подогрева питательной воды котлов-утилизаторов до температуры 280–290°С за счет тепла реакции синтеза аммиака. Конвертированный газ, выходящий из колонны синтеза охлаждается в подогревателе воды от 320–340°С до 200–215°С, представляющем собой вертикальный кожухотрубчатый теплообменник. Внутренний диаметр корпуса 1600 мм; высота 16,85 м; толщина стенки 140 мм. Внутри корпуса располагается 1772 трубки диаметром 22×3,5 мм. Поверхность теплообмена составляет 925 м2; масса – 180 т. Конвертированный газ подается в трубное пространство, а вода – в межтрубное.

Выносной газовый теплообменник предназначен для охлаж-

дения конвертированного газа от 200–215°С до 65°С и подогрева циркуляционного газа перед подачей в колонну синтеза до 190– 200°С. Он представляет собой вертикальный кожухотрубчатый аппарат. Внутренний диаметр – 1600 мм; высота – 19,36 мм; толщина стенки – 140 мм; масса – 184 т. Внутри аппарата располагается 7112 трубок диаметром 12×1,5 мм; поверхность теплообмена – 3200 мм. Конвертированный газ движется по трубному пространству, а циркуляционный – по межтрубному.

Блок аппаратов воздушного охлаждения предназначен для охлаждения конвертированного газа, выходящего из выносного теплообменника от 65–70°С до 40°С и конденсации аммиака. Блок состоит из шести аппаратов, а каждый аппарат – из трех секций. Внутри секций располагаются U-образные оребреные трубки диаметром 25×4,5 мм длиной 8 м. Общая поверхность теплообмена 15 300 м2. Воздух нагнетается осевыми вентиляторами, установленными под каждым аппаратом.

Испаритель жидкого аммиака предназначен для охлажде-

ния конвертированного газа до температуры –5–0°С и конденсации аммиака. Представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат диаметром 3200 мм и длиной 14,23 м. Внутри корпуса размещены 900 U-образных трубок диаметром 22×3,5 мм. Поверхность теплообмена 940 м2. В межтрубном пространстве кипит жидкий аммиак при температуре –10°С, по трубному пространству движется конвертированный газ, где охлаждается до температуры –5–0°С.

Аппаратура для выделения жидкого аммиака

Сепаратор жидкого аммиака предназначен для отделения капель жидкого аммиака, сконденсировавшегося в блоке аппаратов воздушного охлаждения. Он представляет собой цилиндрический аппарат диаметром 2,4 м и длиной 8 м. Газовая смесь, содержащая капли жидкого аммиака, из блока воздушного охлаждения поступает в сепаратор по трубе диаметром 480×12 мм. Выделение капель жидкого аммиака осуществляется под действием силы тяжести за счет изменения направления движения и уменьшения скорости потока газовой смеси. Сконденсировавшийся жидкий аммиак направляется в хранилище.

Конденсационная колонна представлена на рис. 23.

Газ

Газ

1

2

3

4

5

Свежий

газ

6

Газ из Аммиак испарителя

(жидк.) Газ в испаритель

Рис. 23. Конденсационная колонна: 1 – крышка; 2 – корпус;

3 – теплообменник; 4 – кольца Рашига;

5 – центральная труба; 6 – днище

Она предназначена для рекуперации холода, приносимого циркуляционным газом из аммиачного испарителя, и отделения капель жидкого аммиака, сконденсировавшегося в аммиачном холодильнике. Конденсационная колонна состоит из корпуса высокого давления и насадки. Насадка включает теплообменник, расположенный в верхней части, и сепаратор, состоящий из корзины с полуфарфоровыми кольцами Рашига и свободного сепарационного объема. Внутренний диаметр колонны 2000 мм, высота 19,95 м; толщина стенки 195 мм. Теплообменник кожухотрубчатый. В нем расположено 7800 трубок диаметром 14×2 мм. Поверхность теплопередачи 2120 м2. Конвертированный газ циркуляционным компрессором подается в межтрубное пространство теплообменника, где охлаждается обратным потоком холодного газа до температуры 20°С и подается в аммиачный испаритель, в котором охлаждается до температуры 0–5°С. Из испарителя газовая смесь поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение капель жидкого аммиака, который собирается в нижней части колонны. Сюда же направляется свежая азотоводородная смесь, которая барботирует через слой жидкого аммиака и дополнительно очищается от водяного пара и СО2.

Жидкий аммиак выводится из конденсационной колонны и направляется в хранилище. Циркуляционный газ, смешанный со свежей азотоводородной смесью, проходит через слой колец Рашига для улавливания брызг аммиака и при температуре 0–5°С направляется в трубное пространство теплообменника, где охлаждает конвертированный газ, направляемый в аммиачный испаритель для выделения аммиака.

Пути совершенствования схем синтеза аммиака

При разработке крупнотоннажных агрегатов синтеза аммиака были приняты следующие технические решения:

1)двухступенчатая каталитическая конверсия природного газа с использованием в качестве окислителя на первой стадии водяного пара, а на второй – смеси водяного пара с воздухом;

2)двухступенчатая каталитическая конверсия оксида углерода(II) насреднетемпературноминизкотемпературномкатализаторах;

конструкции трубчатого реактора. Такие конструкции уже разработаны и эксплуатируются на ряде современных агрегатов.

Второй энергоемкой стадией является очистка конвертированного газа от СО2, что обусловлено высокой температурой регенерации поглотительных растворов, которая составляет 120– 130°С. Для снижения затрат пара на регенерацию необходимо применение селективных поглотителей СО2, имеющих более низкую температуру регенерации. К числу этих поглотителей относятся водные растворы метилдиэтаноламина СН3N(CH2CH2OH)2 и органические поглотители – метанол, пропиленкарбонат, метилпирролидон, полиэтиленгликоль и др.

При использовании органических растворителей поглощение СО2 осуществляется за счет физического растворения, поэтому регенерация поглотительных растворов может осуществляться без нагревания, а за счет снижения давления.

Важным направлением снижения энергетических затрат является снижение давления синтеза. Это мероприятие может быть реализовано только при использовании высокоактивных низкотемпературных катализаторов. Такие катализаторы уже созданы и эксплуатируются. В частности, на рутениевых катализаторах синтез аммиака осуществляется при давлениях 8–10 МПа вместо 30– 35 МПа на железных катализаторах.

Одним из направлений совершенствования схем синтеза аммиака является утилизация продувочных и танковых газов. На современных крупнотоннажных агрегатах объем продувочных газов составляет ~8700 м3/ч, объем танковых газов – 1670 м3/ч.

Их состав характеризуется следующими данными, представленными в табл. 18.

Вместе с продувочными и танковыми газами теряется значительное количество аммиака, азотоводородной смеси, метана и аргона.