3. Технологічні схеми синтезу аміаку

Залежно від вживаного тиску агрегати синтезу аміаку діляться на три групи: що працюють при середньому тиску 25—36 МПа, при високих тисках 45—100 МПа і при низьких тисках 10—20 МПа.

У світовій практиці найбільш поширення набули агрегати середнього тиску. Незалежно від вживаного тиску до складу агрегату входить колона синтезу, теплообмінна і конденсаційна апаратура, сепаратори для виділення рідкого аміаку з азотоводневої суміші і циркуляційного компресора (або інжектор) для повернення азотоводневої суміші, що не прореагувала, в колону синтезу.

Основним апаратом агрегату є колона синтезу. Вона має каталізаторну коробку, в якій розміщений каталізатор, і теплообмінник, де азотоводнева суміш нагрівається до температури синтезу аміаку за рахунок тепла газової суміші, яка пройшла каталізатор.

У багатьох конструкціях в шарі каталізатора розміщені теплообмінні трубки. З їх допомогою відводиться тепло реакції так, щоб каталізатор працював при температурах, близьких до оптимальних. Наявність необхідної теплообмінної поверхні забезпечує роботу колони без підведення тепла ззовні, а лише за рахунок рекуперації тепла реакції. У новітніх конструкціях колони синтезу тепло реакції використовується більш повно не лише для підігрівання азотоводневої суміші, але і для пари або підігрівання води, що подається на вироблення пара. Для розігрівання каталізатора і його відновлення при пуску колони синтезу є внутрішній електропідігрівач або виносний газовий підігрівач.

На сучасних установках для охолоджування азотоводневої суміші і конденсації аміаку застосовується повітря і рідкий аміак. На старих установках замість повітря використовується вода.

Для циркуляції азотоводневої суміші в агрегатах потужністю 1360 т/доб аміаку служить циркуляційне колесо, розміщене в корпусі відцентрового компресора азотоводневої суміші, створюючи перепад тиску, рівний 3 МПа. На дрібніших установках для цієї мети встановлені центробіжні циркуляційні компресори, які замінили працюючі раніше поршневі циркуляційні компресори. Останні забруднювали газ парами масла і для їх обслуговування було потрібне велике число експлуатаційного і ремонтного персоналу.

Агрегат з відцентровим циркуляційним компресором

Азотоводнева суміш, що містить 86% (N₂+Н₂), 3,5— 4% NН₃ і 10—10,5% (СН₄+Аr), під тиском 32 МПа потрапляє в колону синтезу, де при об'ємній швидкості 20000—25000 год^-1 і температурі 450—520 °С утворюється аміак. З колони синтезу при 160—170 °С виходить азотоводнева суміш, що містить 73,5—74% (N₂+Н₂), 15—15,5% NН₃, 11—11,5% (СН₄+Аr). Вона охолоджується, пройшовши по трубках водяного конденсатора, при цьому частина аміаку, що утворився, конденсується. Газ, охолоджений до 25—35 °С, проходить сепаратор, де аміак, що сконденсувався, відділяють від газу, дроселюють до 1,6 МПа і зливають в збірку рідкого аміаку, а з нього направляють на склад аміаку. У результаті дроселювання аміаку з нього виділяють танкові гази, тобто гази, що розчинилися в рідкому аміаку високого тиску.

Після сепаратора газова суміш прямує на подальше охолоджування і конденсацію аміаку в конденсаційну колону. У верхній її частині розташований теплообмінник, нижня частина колони є сепаратором. Проходячи через теплообмінник конденсаційної колони, а потім випарник, газова суміш охолоджується до (—5) — (10)°С киплячим в межтрубному просторі аміаком. Далі в частині сепарації колони аміак, що сконденсувався, відділяють від газів, дроселюванням до 1,6 МПа і зливають в збірку, а потім передають на склад.

У конденсаційній колоні в шар рідкого аміаку вводять свіжий газ, в якому окрім азоту і водню міститься близько 1% (СН₄+Аr), водяні пари і сліди СО і СО₂. При барботуванні через шар рідкого аміаку зі свіжого газу вимиваються каталізаторні отрути — Н₂О і СО₂, потім газ змішується з основним потоком азотоводневої суміші, яка виходить з випарника, віддає свій холод в теплообміннику конденсаційної колони і поступає в циркуляційний компресор відцентрового типа при температурі приблизно 20—23 °С.

Таким чином, теплообмінник конденсаційної колони виконує важливу роль — рекуперує холод циркуляційного газу і зменшує витрату рідкого аміаку на охолоджування газу у випарнику. Призначенням циркуляційного компресора є стискування циркуляційного газу до 32 МПа і подача його в колону синтезу, що замикає цикл синтезу. За допомогою компресора компенсується втрата на тиск, рівна 2,5—3 МПа, при проходженні азотоводневої суміші через апаратуру і комунікації циклу синтезу.

Центробіжний циркуляційний компресор (ЦЦК) приводиться в дію електродвигуном з постійним числом оборотів і має постійну продуктивність. Оскільки газове навантаження на колону синтезу міняється у міру старіння каталізатора і зниження його активності, передбачено регулювання потоку газу, що подається в колону синтезу. Надлишкова кількість газу, ЦЦК, що подається, по байпасу поступає в міжтрубний простір теплообмінника конденсаційної колони, проходить випарник і трубний простір конденсаційної колони і знов проходить через ЦЦК. При циркуляції азотоводневої суміші частина її на каталізаторі перетворюється в аміак; присутні в газі аргон і метан поступово накопичуються в циклі синтезу аміаку. Щоб уникнути накопичення інертних домішок невелика частина азотоводневої суміші (продувальні гази), що містить приблизно 11 % аргону і метану, безперервно виводиться з циклу синтезу після сепаратора і поступають на установку для поглинання в суміші аміаку водою із здобуттям аміачної води. Не поглинені гази, що містять водень, азот, метан і аргон, використовуються як горючі гази.

Агрегат високого тиску з інжектором

Технологічна схема агрегату потужністю 75000 т/рік аміаку, що працює під тиском 44 МПа. За цією схемою переробляється азотоводнева суміш (свіжий газ), очищена від каталізаторних отрут промиванням рідким азотом. Вміст інертних газів в ній дуже мало, тому постійне продування не потрібне. У свіжому газі відсутні водяні пари і діоксид вуглецю. Такий газ подається в цикл безпосередньо перед колоною синтезу. Свіжий газ з відділення компресії під тиском 49 МПа поступає в інжектор, тобто в газоструміневий циркуляційний компресор.

Свіжий газ поступає в сопло інжектора, профіль і перетин якого вибирають такими чином, аби потік свіжого газу виходив з сопла з дуже великою швидкістю. Циркуляційний газ під тиском 43 МПа входить в камеру змішувача інжектора, розташовану після сопла. За рахунок кінетичної енергії струменя свіжого газу, витікаючого з сопла, циркуляційний газ засмоктується потоком свіжого газу і поступає в дифузор, що розширюється, де кінетична енергія газового потоку перетвориться в тиск, рівний 44 МПа. Потім газова суміш подається в колону синтезу, проходить теплообмінник, нагріваючись в нім до 440—450 °С, і потрапляє в каталізаторну коробку. Тут на чотирьох полицях розміщені чотири шари каталізатора. Після кожного з перших трьох шарів каталізатору розташовані змійовики, по яких циркулює бідистилят (вода, що двічі дистилює) високого тиску. Бідистилят нагрівається за рахунок охолоджування азотоводневої суміші до 450—460 °С та відводиться таким чином щоб тепло реакції утворення аміаку в кожному шарі каталізатора.

Конвертований газ проходить четвертий шар каталізатора і поступає в теплообмінник колони синтезу, де охолоджується від 500—510 до 100—120°С і нагріває газ, йде на синтез аміаку. Газ, що виходить з колони синтезу і містить 20—22% аміаку, охолоджується до 25—35 °С у вертикальному погружному водяному конденсаторі. Конденсований аміак виділяється в сепараторі. Після сепаратора рідкий аміак дроселюють до 1,8 МПа; його зливають в проміжну збірку, а з нього передають на склад для відвантаження споживачеві. Циркуляційний газ з сепаратора, містить 6—8 % аміаку, поступає в інжектор і цикл синтезу замикається.

Бідистилят, нагрітий в змійовиках колони синтезу, охолоджується до 260 °С у трубах казана. При цьому живильна вода, що подається в міжтрубний простір казана, випаровується, утворюючи 7,75 т/год насиченої пари при тиску 3,2 МПа і температурі 237 °С. Отже, на 1 т аміаку отримують 0,85 т насиченої пари. Бідистилят після виходу з парового казана засмоктується циркуляційним насосом високого тиску продуктивністю 40 м³/год і подається знов в змійовики колонну синтезу. Для заповнення втрат циркулюючого бідистиляту встановлюють насос високого тиску потужністю 80 л/год.

Для підтримки певного тиску циркулюючого бідистиляту і для підживлення системи встановлена вирівнювальна судина, у верхню частину якого підводять свіжий газ під тиском 49 МПа. До якості бідистиляту (вміст солей) діють жорсткі вимоги (контроль відбувається шляхом виміру омічного опору бідистиляту). Це необхідно для запобігання забиванню солями тепло передаваючих поверхонь змійовиків і парового казана.

До особливостей цього агрегату, обумовленим вживанням високого тиску відносяться:

1) висока концентрація аміаку після колони синтезу;

простота технологічної схеми (відсутність аміачного охолоджування, оскільки весь аміак конденсується у водяному конденсаторі);

отримання лише рідкого аміаку, що полегшує його подальше використання і переробку в карбамід і нітратну кислоту;

вживання інжектора для циркуляції газу, що значно простіше; проте к.к.д. інжектора значно нижче, ніж. к.к.д. ЦЦК;

використання тепла синтезу аміаку для вироблення насиченої водяної пари (0,85 т/т аміаку, що еквівалентно отриманню 2300 МДж тепла);

компресори, що стискують газ до 49 МПа, значно складніше за компресори, що стискують газ до 32 МПа, тому зростає витрата електроенергії на стискування азотоводневої суміші.

В цілому цей агрегат менш економічний, ніж агрегати потужністю 1360 т/доб аміаку, тому він отримав вельми обмежене вживання.

Агрегат потужністю 1360 т/доб аміаку

Що в даний час практично всі вводяться в експлуатацію агрегати синтезу аміаку розраховані на потужність 1360 т/доб.

Циркуляційний газ входить у внутрішній теплообмінник колони синтезу де нагрівається до температури початку реакції синтезу аміаку і проходить шари каталізатора, внаслідок чого концентрація аміаку в газі підвищується до 15 —17%. Потім конвертований газ охолоджується в теплообміннику до 330 °С і в підігрівачі води до 215 °С. У апараті велика частина тепла синтезу аміаку витрачається на нагрівання води високого тиску від 102 до 310 °С. Ця вода випаровується в казанах конверсії метану і СО з утворенням пари тиском 10,5 МПа. Далі конвертований газ охолоджується у теплообміннику до 65—75 °С і в повітряному холодильнику до 30—40 °С. Рідкий аміак, що сконденсувався при охолоджуванні, відділяється від газової суміші в сепараторові. Після сепаратора конвертований газ стискується від 28,5 до 31,5 МПа в циркуляційному колесі компресора азотоводневої суміші, за допомогою якої компенсуються втрати тиску в агрегаті синтезу.

Подальше охолоджування газу і конденсація аміаку відбувається в теплообміннику конденсаційної колони і в випарнику (у останньому газ охолоджується до — 4°С за рахунок кипіння рідкого аміаку). Аміак відділяється, що сконденсувався, від газової суміші в частині сепарації конденсаційної колони, сюди ж поступає свіжий газ, який барботує через шар рідкого аміаку, що поглинає водяні пари і сліди СО₂. Циркуляційний газ, вийшовши з конденсаційної колони, поступає у виносний теплообмінник, де нагрівається до 185—190 °С за рахунок тепла конвертованого газу, який проходить по трубному простору. Потім підігрітий газ поступає в колону синтезу і цикл синтезу замикається.

Для розігрівання і відновлення каталізатора в колоні синтезу встановлений газовий підігрівач. Циркулююча в нім азотоводнева суміш поступово нагрівається до потрібної температури, проходячи по змійовиках підігрівача, які обігріваються гарячими димовими газами, що отримуються шляхом спалювання горючих газів в пальниках.

Рідкий аміак з сепаратора і конденсаційної колонну проходить фільтри рідкого аміаку, де з нього виділяється каталізаторний пил, принесений конвертованим газом з шару каталізатора. Потім аміак дроселюють до 4 МПа і відводять в збірки, а далі на склад. Після сепаратора безперервно виводяться продувальні гази, що містять 8—9% аміаку. У танкових газах з збірників вміст аміаку близький до 20%. Кількість продувочних і танкових газів відносно велика, тому до складу агрегату включена установка виділення аміаку.

Танкові гази поступають у випарник, де охолоджуються до — 20°С; сконденсований аміак відділяється від газів в сепараторові і передається на склад. Танкові гази, практично вільні від аміаку, використовуються як горючий газ.

Гази постійного продування поступають в міжтрубний простір конденсаційної колони продувальних газів, охолоджуються і потім у випарнику додатково охолоджуються до — 27 °С аміаком, киплячим в міжтрубному просторі випарника при, — 30 °С. Охолоджений газ знов повертають в конденсаційну колону для відділення аміаку, що сконденсувався, і для охолоджування в теплообміннику апарату поступаючих продувальних газів.

Після установки уловлювання аміаку продувальні гази містять 1% NН₃. Потім вони дроселюють з 28,5 до 1 МПа і використовуються разом з танковими газами в пальниках трубчатої печі.

Устаткування агрегату. Колона синтезу аміаку складається з двох сосудів високого тиску, встановлених один на іншій; нижній судині внутрішнім діаметром 2,4 м, товщиною стінки 250 мм і заввишки 22,15 м; верхня судина внутрішнім діаметром 1 м, товщиною стінки 110 мм і заввишки 6585 мм. Обоє судини виготовлені з низьколегованої вуглецевої сталі.

У нижній судині розміщують каталізаторну коробку, а у верхньому — теплообмінник, поверхня якого по середньому діаметру 475 м². У каталізаторній коробці на перфорованих листах, що виконують роль колосникових грат, розташовані чотири шари каталізатора, байпасні труби і відбійні перегородки.

Основний потік газу в колоні синтезу проходить від низу до верху по кільцевому зазору між корпусом колони і кожухом каталізаторної коробки і корпусом колони і кожухом теплообмінника, захищаючи корпус від перегріву більше 200 °С, і потім поступає в міжтрубний простір теплообмінника, нагріваючись в ньому до 420—440 °С. Для регулювання цієї температури є байпас, через який йде потік газу, минаючи теплообмінник. Нагрітий газ проходить чотири шари каталізатора, по трубі, розміщеній в центрі каталізаторної коробки, піднімається від низу до верху і поступає в трубки теплообмінника, охолоджуючись в нім до 330 °С, а потім виходить через верхній штуцер колони синтезу.

Тепловідвідні трубки, розміщені в шарах каталізатора, в каталізаторній коробці цієї конструкції відсутні. Замість них до газу, який проходить перший, другий і третій шари, підмішують холодний байпасний газ, який знижує температуру азотоводневої суміші на вході в другий, третій і четвертий шари від 520—535 до 470—480 °С. Кожен з трьох байпасних потоків регулюється самостійно.

Підігрівач води — вертикальний циліндровий апарат кожухотрубчатого типу внутрішнім діаметром 1,6 м і висотою 15,136 м має поверхню теплообміну 1250 м² (по наружному діаметру). По трубках зверху вниз йде газ, а по міжтрубному простору від низу до верху — вода. У між трубному просторі теплообмінника для підвищення коефіцієнта теплопередачі розміщені перегородки, що подовжують шлях води. Вода в підігрівачі нагрівається від 102 до 310 °С і поступає на випар в парові казани, в яких отримують пару тиском 10,5 МПа.

Виносний теплообмінник — вертикальний циліндровий апарат внутрішнім діаметром 1,6 м, заввишки 16,4 м і товщиною стінки 140 мм. У нім розміщені 7112 трубок діаметром 12 мм, заввишки 14 м і поверхнею теплообміну 3200 м² (по внутрішньому діаметру трубок). У міжтрубному просторі теплообмінника є перегородки, коефіцієнт теплопередачі, що підвищують. Конвертований газ проходить по трубкам, газ, що направляється в колону синтезу, — по міжтрубному простору.

Сепаратор — горизонтальний циліндровий апарат внутрішнім діаметром 2,4 м і завдовжки 7,975 м. Уздовж апарату вишє рівня рідкого аміаку розташована труба з прорізами для рівномірного розподілу газу по довжині апарату. У верхній частині знаходиться пристрій сепарації, з шарів дротяних сіток. Рівень рідкого аміаку підтримується автоматично.

Конденсаційна колона — вертикальний циліндровий апарат внутрішнім діаметром 2 м і заввишки 18,89 м складається з теплообмінника і сепаратора, розміщеного під теплообмінником. Діаметр теплообмінних трубок 14Х2 мм, висота 7,21 м, число 7808, поверхня теплообміну 2120 м² (по середньому діаметру). У міжтрубному просторі розміщені перегородки. Охолоджуваний газ йде по межтрубному простору, а газ після сепарації аміаку — по трубкам.

Газ, охолоджений у випарнику, через нижній штуцер поступає в пристрій сепарації, що створює обертальний рух, при якому частки рідини відділяються від газового потоку, збираються в нижній частині апарату і безперервно виводяться. Газ піднімається вгору, проходить відбійник, що складається з шару кілець Рашига і, проходячи трубний простір, віддає свій холод. Свіжий газ, що входить через бічний штуцер в нижній частині апарату, барботує через шар рідкого аміаку, звільняючись від пари води і СО₂.

Випарник — горизонтальний апарат діаметром 2,2 м і завдовжки 12,15 м, в якому розміщено 526 трубок високого тиску U-образної форми; їх діаметр 22X3,5 мм, поверхня 520 м². По трубках йде газ високого тиску, який проходить спочатку верхню частину цих трубок, а потім нижню. Газ високого тиску охолоджується киплячим в міжтрубному просторі рідким аміаком. До складу агрегату входять два випарника. Газоподібний аміак, відокремлюваний від бризок в пристрої сепарації, розташованому у верхній частині випарника, поступає в холодильну установку. Рідкий аміак подається через нижній штуцер. Апарат оснащений регулювальником рівня і сигналізатором, запобіжним клапаном.

Пусковий газовий підігрівач — вертикальний циліндричний апарат з внутрішнім вогнетривким футеруванням і димовою трубою, розташованою на зведенні апарату. Внутрішній діаметр апарату — 3,53 м, висота без димаря — 9,3 м. У нім розташовано два змійовики з труб високого тиску діаметром 102X16 мм, поверхнею обігріву 134 м₂, по якому циркулює азотоводнева суміш. У нижній частині апарату розташовані пальники для спалювання природного газу і обігріву димовими газами змійовиків.

Техніко-економічні показники.

Нижче приведені витратні коефіцієнти на 1 т аміаку (по стадії синтезу аміаку):

Азотоводнева суміш, м³ 2800

Каталізатор, кг 0,1

Енергія пари, кВт-год 50

і витратні коефіцієнти на виробництво 1 т аміаку в агрегаті потужністю 1360 т/доб:

Природний газ, м³ …………………..........1090

Електроенергія, кВт-год..........................................65

Знесолена вода, м³ ..................................................6,2