3. Технологическое оформление конверсии природного газа (30 б.).

В настоящее время в РФ почти весь аммиак получают из природного газа (до 99% метана). Можно выделить такие варианты процесса конверсии:

• высокотемпературная кислородная конверсия:

  CH4+1/2O2 → CO+2H2

  +35,6 кДж

• парокислородная конверсия (в шахтных реакторах):

  CH4+H2O → CO+3H2

  -206,4 кДж

• пароуглекислотная конверсия:

CH4+CO2 → 2CO+2H2

-248,3 кДж

В азотной промышленности используется конверсия ПГ при повышенном давлении, в итоге чего снижается расход энергии на сжатие конвертированного газа на выходе, чей объём больше объёма исходных газов, уменьшаются размеры аппаратуры, снижается стоимость продукта.

ПГ сжимают в компрессоре 1 до 4,6 МПа и смешивают с уже готовой азот-водородной смесью АВС, т.к. в ней содержится водород, необходимый для гидрирования сернистых соединений. Соотношение АВС : ПГ – 1 : 10.

Затем ПГ подают в подогреватель 2, где он нагревается от 130 – 140 °C до 370 – 400°C. Потом ПГ идёт в реактор 3, где на катализаторе АКМ проходит гидрирование сернистых соединений до H₂S, который далее поглощается ГИАП-10 в адсорбере 4. C_H2S на выходе не более 0,5 мг серы на 1 м³ ПГ.

Очищенный газ смешивается с водяным паром с соотношении 1:3,7 и поступает в конвекционную зону трубчатой печи 12, где в подогревателе 10 нагревается до 525°C и под давлением 3,7 МПа распределяется по большому числу труб 11, заполненных катализатором. Трубы снаружи обогревается дымовыми газами горелок.

CH4+1/2O2 → CO+2H2

+35,6 кДж

Выходящая из трубчатого реактора смесь содержит 9 – 10% CH₄.

При 850°C эта смесь поступает в конвектор метана второй ступени 13 – реактор шахтного типа, в верхнюю часть которого компрессором 19 подаётся воздух, нагретый в той же конвекционной зоне до 480 – 500°C. Потоки парогазовой смеси и воздуха поступают в реактор 13 раздельно для выполнения соотношения (CO+H₂) : N₂ = 3 : 1 (при этом конверсия метана максимальна).

CH4+H2O → CO+3H2

-206,4 кДж

Выходящая из шахтного реактора смесь содержит около 0,3% CH₄.

При 1000°C эта смесь идёт в котёл-утилизатор 14, вырабатывающий пар, где охлаждается до 380 – 420°C и направляется в конвектор CO первой ступени 15 (СТК). Выходящая из конвектора 15 смесь при 450°C содержит около 3,6% CO.

Затем она охлаждается в паровом котле 16 до 225°C и подаётся в конвектор CO второй ступени 17 (НТК). Содержание CO на выходе – около 0,5%.

После охлаждения конвертируемый газ (уже почти готовая АВС) при температуре окружающей среды и давлении 2,6 МПа поступает на очистку от CO₂. Теплота всех стадий используется для нагрева воды и получения пара для технологических нужд.

4. Подготовка обжигового газа к контактному окислению в производстве серной кислоты (20 б.).

Если сырьё – пирит

Обжиговый после печи КС содержит до 300 г/м³ огарковой пыли, а также соединения As, F, Se, Te. Всё это приводит к повышению гидравлического сопротивления.

Очистка обжигового газа начинается уже в печном отделении – часть пыли оседает в котле-утилизаторе, а затем в циклонах и сухих электрофильтрах. После такой сухой очистки содержание пыли ≤ 50 мг/м³.

Затем газ отправляется на мокрую очистку, где удаляются остатки пыли, каталитические яды и соединения Se и Te. Мокрая очистка заключается в промывке обжигового газа разбавленной H₂SO₄, имеющей более низкую температуру, чем сам газ (это способствует конденсации примесей и кислоты). Часть примесей растворяется в H₂SO₄, но большая их часть переходит в сернокислотный туман. Капли этого тумана вместе с растворёнными примесями выделяются из обжигового газа в промывных башнях и мокрых электрофильтрах. Туман H₂SO₄ повышает гидравлическое сопротивление, корродирует аппаратуру и образует твёрдые корки на поверхности КМ, поэтому от него газ также тщательно очищают.

Мокрую очистку ведут в нескольких аппаратах: первая промывная башня полая (т.к. любая насадка забилась бы огарковой пылью). Во второй насадочной башне происходит укрупнение частиц тумана и его частичное осаждение. Окончательно туман улавливают в мокрых электрофильтрах.

Для улучшения условий выделения тумана в мокрых электрофильтрах снижают температуру газа и концентрацию орошающей кислоты во второй промывной башне (что приводит к насыщению парами воды). После первого мокрого электрофильтра газ пропускают через увлажнительную башню, орошаемую 5%-H₂SO₄. Влажность газа повышается, капли тумана растут.

Затем обжиговый газ проходит второй электрофильтр. Во второй промывной и увлажнительной башнях газ полностью насыщается парами воды, однако её присутствие в газе провоцирует конденсацию серной кислоты в последующих теплообменниках и образование тумана в абсорбционном отделении, поэтому нужно тщательно осушить обжиговый газ.

Осушку проводят в насадочных башнях, где пары воды абсорбируются H₂SO_4конц. Содержание влаги на выходе из сушильных башен не более 0,01%_об.

Если сырьё – сера

Подготовка газа к контактному окислению после сжигания серы значительно проще, т.к. нет огарковой пыли и примесей. Очистка газа состоит только в его осушке. Т.к. осушка с помощью H₂SO_4конц идёт при низких температурах, целесообразно осушать не обжиговый газ (который снова бы пришлось нагревать), а холодный воздух, подаваемый на сжигание серы. В этом случае обжиговый газ будет содержать минимум паров воды и его нужно будет охладить до t°_зажиг катализатора (400 – 440°C). Из-за простоты очистки обжигового газа после сжигания серы такую схему называют короткой.