Компремирование азотоводородной смеси

Компрессор синтез-газа поз.401 состоит из приводной паровой конденсационной турбины с промежуточным отбором пара и трех корпусов сжатия. Корпуса сжатия обеспечивают компремирование свежей азотоводородной смеси и циркуляцию газа в блоке синтеза. Корпуса низкого и среднего давления двухсекционные с пятью ступенями сжатия в каждой секции. Корпус высокого давления включает шестиступенчатую напорную секцию и одноступенчатую секцию циркуляции газа.

Масляная система (общая для компрессора и турбины) обеспечивает работу систем смазки, уплотнения и регулирования.

Система смазки включает: масляный бак, электроприводные насосы, аккумуляторы давления, фильтры, регулятор давления масла, аварийный бак для обеспечения выбега роторов, напорные и сливные трубопроводы, связывающие систему с подшипниками, и бак дегазации смазочного масла.

В систему уплотнений входят: дожимающие электроприводные насосы, демпферы пульсации, фильтры тонкой очистки, регуляторы давления и уровня масла, напорные баки, напорные и сливные трубопроводы и трубопроводы эталонного газа, связывающие систему с уплотнениями корпусов сжатия, блоки маслоотводчиков и бак дегазации уплотнительного масла.

Система регулирования обеспечивает работу регуляторов частоты вращения и давления пара отбора турбины, а также привод средств ее остановки - стопорного клапана на свежем паре и обратного клапана на паре отбора.

Предусмотрена защита компрессора от превышения перепада давления на думмисах корпуса высокого давления, увеличения температуры газа на нагнетании каждой секции, увеличения температуры вкладыщей подшипников, увеличения уровней конденсата в межступенчатых сепараторах, уменьшения уровня в напорных баках уплотнительного масла, повышения вибрации или осевого сдвига роторов, уменьшения давления смазочного масла. Защита производится путем остановки компрессора при достижении аварийных значений указанных параметров.

Азотоводородная смесь из блока метанирования поступает на всас компрессора синтез-газа поз.401 с давлением от 2,31 до 2,50 МПа (от 23,5 до 25,5 кгс/см²) по приборам поз.P502_1, 2. На линии всаса I-ой секции установлен дистанционно управляемый отсекатель поз.EmV-17. В первой секции газ сжимается до давления не более 5,00 МПа (51,0 кгс/см²) по прибору поз.P419, нагреваясь при этом до температуры не более 165 °С. С нагнетания I-ой секции газ поступает в аппарат воздушного охлаждения поз.429.1 (вентиляторы поз.429_3, 4), где охлаждается до температуры от 30 °С до 49 °С. Температура контролируется по прибору поз.T401С и регулируется дистанционным изменением скорости вращения вентилятора поз.429_3.

Далее азотоводородная смесь проходит сепаратор поз.430, в котором отделяется газовый конденсат, и поступает на всас II-ой секции компрессора. Газовый конденсат из сепаратора выдается на разгонку в отпарную колонну поз.150 автоматическим регулятором уровня в сепараторе поз.LIC401. После сепаратора имеется сброс газа на факельную установку с помощью дистанционно управляемого клапана поз.НСV74. Сброс используется для освобождения компрессора от азотоводородной смеси после остановки компрессора и отключения его от блоков синтеза и метанирования.

Расход азотоводородной смеси на нагнетании I-ой секции контролируется по приборам поз.Q401_1,2. Этот регулятор осуществляет антипомпажаную защиту I-ой секции путем автоматического переброса части газа со всаса II-ой секции на всас I-ой секции компрессора. Переброс осуществляется при уменьшении расхода и обеспечивает сохранение его на минимально допустимом уровне для устойчивой работы компрессора вне помпажной зоны.

Во второй секции газ сжимается до давления не более 9,8 МПа (100 кгс/см²) по прибору поз.PI421 и с температурой не более 182 °С поступает в аппарат воздушного охлаждения поз.429.2 (вентиляторы поз.429_9, 10). В нем газ охлаждается до температуры от 30 °С до 49 °С, которая контролируется по прибору поз.T401D и регулируется дистанционным изменением скорости вращения вентилятора поз.429_9.

Далее газ поступает в аммиачный испаритель поз.428, где охлаждается за счет теплообмена с жидким аммиаком до температуры от 5 °С до 11 °С. Температура кипения аммиака поддерживается автоматическим регулятором давления газообразного аммиака на выходе из испарителя поз.PIC402. Уровень жидкого аммиака в испарителе автоматически поддерживает регулятор поз.LIC404 изменением подачи жидкого аммиака. Конденсация газообразного аммиака осуществляется в абсорбционной водоаммиачной холодильной станции. Предусмотрена линия постоянного дренирования флегмы из испарителя в АХУ для предотвращения накопления в нем воды.

Из испарителя азотоводородная смесь через сепаратор поз.431 поступает на всас III-ей секции. Газовый конденсат из сепаратора автоматически выдается на разгонку посредством регулятора уровня поз.LIC402. В линию входа азотоводородной смеси в аппарат воздушного охлаждения поз.429.2 осуществляется впрыск жидкого аммиака насосами поз.425-1,2 или по л.623 из сепаратора поз.621 регулирующим вентилем с целью связывания остаточной углекислоты в условиях последующего осаждения в карбоматы и отделения их с газовым конденсатом в сепараторе поз.431.

Предусмотрена аварийная антипомпажная защита I-ой и II-ой секций компрессора при его остановке. Она осуществляется перебросом газа с нагнетания II-ой секции на всас I-ой через отсекатель поз.EmV-44.

Третья секция компрессора фактически состоит из двух секций сжатия без охлаждения газа между ними. В III-ей секции АВС сжимается до давления не более 21,3 МПа (218 кгс/см²) и с температурой не более 143 °С поступает в аппарат воздушного охлаждения поз.429.3 (вентиляторы поз.429_1, 2). В нем газ охлаждается до температуры от 45 °С до 55 °С, которая поддерживается регулятором поз.TIC401A, изменяющим скорость вращения вентилятора поз.429_1. Охлаждение газа менее 45 °С создает условия для образования карбоматов, которые, отлагаясь на рабочих колесах IV-ой секции, могут вывести компрессор из строя.

Далее азотоводородная смесь проходит сепаратор поз.432 и поступает на всас IV-ой секции. Газовый конденсат из сепаратора выдается на разгонку в поз.150 посредством регулятора уровня поз.LIC403.

Антипомпажную защиту II-ой и III-ей секций компрессора при его работе осуществляет регулятор поз.QIC402. Он автоматически перебрасывает часть газа из линии нагнетания III-ей секции в линию нагнетания I-ой при уменьшении расхода и обеспечивает тем самым сохранение расхода газа через II-ую и III-ю секции на минимально допустимом уровне для устойчивой работы компрессора. Замер расхода прибором поз.QIC402 производится на всасе II-ой секции. Предусмотрено автоматическое полное открытие клапана поз.QCV402 при остановке компрессора посредством соленоидного вентиля.

В четвертой секции АВС сжимается до давления не более 31,3 МПа (320 кгс/см²) и с температурой не более 160 °С поступает в аппарат воздушного охлаждения поз.429.4 (вентиляторы поз.429_5, 6, 7, 8). В нем газ охлаждается до температуры от 35 °С до 50 °С, которая автоматически поддерживается регулятором поз.TIC401В, изменяющим скорость вращения вентиляторов поз.429_5, 7. Далее свежая азотоводородная смесь через отсекатель поз.EmV5 подается в блок синтеза, а часть свежей АВС после отсекателя позЕmV5 отбирается на установку выделения водорода "МОНСАНТО".

Антипомпажная защита IV-ой секции компрессора осуществляется регулятором поз.QIC403. Он обеспечивает минимально допустимый расход газа через секцию автоматическим перепуском части газа с нагнетания IV-ой секции в линию нагнетания III-ей. Измерение расхода производится на всасе IV-ой секции.

Циркуляционный газ из отделения синтеза поступает в компрессор с давлением не более
29,4 МПа (300 кгс/см²) и температурой не менее 21 °С через отсекатель поз.EmV9. На циркуляционной ступени газ сжимается до давления не более 31,2 МПа (319 кгс/см²) и с температурой не более
55 °С возвращается в блок синтеза через отсекатель поз.ЕmV12. Расход циркуляционного газа, подаваемого на синтез, контролируется по прибору поз.Q404 и должен быть не более 640 000 м³/ч.

Предусмотрено автоматическое отключение компрессора от блока синтеза закрытием отсекателей поз.EmV5, EmV9, EmV12 при остановке компрессора и при переводе его в байпасный режим.

Байпасный режим работы компрессора осуществляется перепуском циркуляционного газа с нагнетания циркуляционной ступени в линию нагнетания IV-ой ступени перед АВО поз.429.4 через заслонку поз.НСV21 с одновременным перепуском газовой смеси из линии после АВО поз.429.4 на всас циркуляционной ступени через клапан поз.НСV29.

При переводе компрессора в байпасный режим и при его остановке клапаны поз.НСV21 и НСV29 открываются полностью автоматически. Разгрузку ступеней сжатия при этом обеспечивают антипомпажные регуляторы (байпасный режим) или регуляторы и отсекатели (остановка компрессора). При переводе компрессора в байпасный режим блокировкой поз.DPS409 при максимальном перепаде давления между нагнетаниями IV-ой секции и циркуляционной ступени автоматического закрытия отсекателей поз.EmV5, EmV9, EmV12 не происходит.

При пуске и выводе компрессора на рабочий режим дистанционным управлением клапанами поз.НСV21 и НСV29 осуществляется регулирование производительности циркуляционной ступени, а антипомпажными регуляторами - секций сжатия.

Измерение температуры газа на всасе и нагнетании всех секций осуществляется приборами поз.T405_1, 3, 5, 7, 9; T406_1, 2; Т407_1, 2; Т408_1, 2; Т409_1, 2; Т410_1, 2 с сигнализацией предмаксимальных и минимальных значений. Остановка компрессора при достижении максимальной температуры на нагнетании секций производится приборами поз.TS406_1, 2; TS407_1, 2; TS408_1, 2; TS409_1, 2; TS410_1, 2.

Предусмотрена автоматическая остановка компрессора при срабатывании блокировок групп «В», «А» и «АА», а также локальных блокировок на стадии метанирования.

Синтез аммиака

Синтез аммиака производится в колонне синтеза на железном промотированном катализаторе по реакции:

N₂ + 3Н₂ → 2NН₃ + Q.

Синтез протекает со значительной скоростью только в условиях относительно высоких температур. Процесс в колонне синтеза осуществляется в интервале температур от 400 °С до 530 °С.

Свежая азотоводородная смесь с нагнетания IV-ой секции компрессора синтез-газа поз.401 поступает в нижнюю часть конденсационной колонны поз.605 под слой жидкого аммиака. Барботируя через него, газ промывается от следов влаги, углекислоты и масла и над уровнем жидкого аммиака смешивается с циркуляционным газом. Смесь свежего и циркуляционного газа сепарируется от брызг жидкого аммиака в корзине с кольцами Рашига и проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны, нагреваясь потоком входящего в колонну циркуляционного газа до температуры не более 40 °С по прибору поз.T621.

Дальнейший нагрев циркуляционного газа, идущего в колонну синтеза, до температуры не более 195 °С происходит в выносном теплообменнике поз.602. Температура газа после него поддерживается автоматически регулятором поз.TIC601, байпасирующим теплообменник частью свежего циркуляционного газа. Нагрев осуществляется встречным потоком прореагировавшего циркуляционного газа.

Основной поток подогретого циркуляционного газа поступает в нижнюю часть колонны синтеза поз.601 и поднимается в верхнюю часть по кольцевому зазору между корпусом колонны и стенкой катализаторной коробки, охлаждая корпус. Далее циркуляционный газ проходит межтрубное пространство встроенного в колонну теплообменника, где нагревается прореагировавшим газом.

Реакция синтеза аммиака протекает на двух полках с катализатором, размещенных в общей катализаторной коробке. Газ, выходящий из встроеного теплообменника смешивается с двумя потоками газа (1 поток – газ, выходящий из кольцевого смесителя; 2-й поток – газ выходящий из межслойного теплообменника) и поступает в кольцевой зазор между катализаторной коробкой и "панелями " I-го слоя. Через отверстия в "панелях" газ поступает на катализатор и двигается от периферии к центру (радиальный ход газа), далее газ проходит межтрубное пространство межслойного теплообменника, где охлаждается газом идущим по трубкам (II-й холодильный байпас). Охлажденный газ поступает в кольцевой зазор между катализаторной коробкой и "панелями" II-го слоя. Ход газа через
2-ю полку аналогичен ходу газа через 1-ю полку. Далее газ через перфорированную трубу поступает в встроенный теплообменник, где нагревает входящий в колонну синтеза газ (см.выше).

Подача газа (I холодный байпас) осуществляется через заслонку поз.TCV604 регулятором поз.TIC604.

Подача газа (II холодный байпас) осуществляется через 3 параллельно работающие заслонки поз.TCV605-1, TCV605-2, TCV605-3 посредством регулятора поз.TIC605.

Циркуляционный газ после колонны синтеза проходит трубное пространство подогревателя деаэрированной питательной воды поз.603. В нем тепло реакции синтеза используется для подогрева части питательной воды от насосов поз.128А, В в паросборник поз.109. Нагрев воды осуществляется до температуры от 280 °С до 300 °С. Температура контролируется по прибору поз.T625 и регулируется изменением подачи воды в подогреватель с помощью дистанционно управляемого клапана поз.HCV607. Предусмотрено автоматическое закрытие клапана поз.HCV607 при остановке компрессора поз.401 для предотвращения резкого уменьшения температуры трубок подогревателя ("теплового удара"). Плотность трубчатки подогревателя контролируется измерением электропроводности воды на выходе из него с помощью анализатора поз.A605.

Перепад давления циркуляционного газа между входом в колонну синтеза поз.601 и выходом из подогревателя поз.603, характеризующий сопротивление колонны синтеза, измеряется прибором поз.DP602. При достижении перепада давления 0,98 МПа (10,0 кгс/см²) по прибору поз.DPS602 компрессор синтез-газа поз.401 автоматически переводится в байпасный режим для защиты насадки колонны синтеза. Этой же цели служат перепускные клапаны между свежим и прореагировавшим циркуляционным газом.

Охлажденный в подогревателе питательной воды циркуляционный газ проходит выносной теплообменник поз.602, где встречным потоком свежего газа охлаждается до температуры не более 75 °С по прибору поз.T619.

Выделение аммиака из прореагировавшего газа производится путем его конденсации при охлаждении в две ступени.

Первая ступень конденсации циркуляционного газа существляется в аппарате воздушного охлаждения поз.604. Температура газа на выходе из АВО поз.604 контролируется по прибору поз.T623 и регулируется количеством работающих вентиляторов.

Жидкий аммиак отделяется от циркуляционного газа в сепараторе поз.621. Газовая смесь из сепаратора через отсекатель поз.EmV-9 поступает на всас циркуляционной ступени компрессора синтез-газа поз.401. Предусмотрена блокировка на остановку компрессора при достижении максимального уровня в сепараторе (85 %) по выбранному датчику поз.LS603, 604.

Сжатый циркуляционной ступенью газ через отсекатель поз.EmV-12 поступает в конденсационную колонну поз.605 для второй ступени конденсации. В колонне газ проходит межтрубное пространство теплообменника, рекуперируя холод встречного потока и охлаждаясь до температуры не более 25 °С по прибору поз.T620. Далее газ выводится из колонны и проходит трубное пространство испарителя поз.606, где охлаждается до температуры не более 3 °С по прибору поз.T622 кипящим в межтрубном пространстве аммиаком. Охлажденный газ возвращается в сепарационную часть конденсационной колонны, где сконденсировавшийся аммиак отделяется от газа, а циркуляционный газ смешивается со свежей азотоводородной смесью и цикл синтеза повторяется.

Предусмотрена линия между выходом свежего циркуляционного газа из конденсационной колонны поз.605 и входом прореагировавшего циркуляционного газа в АВО поз.604 с дистанционно управляемой электрозадвижкой поз.HC609, т.н. длинный байпас колонны синтеза. Он служит для разгрузки колонны синтеза по расходу газа в случаях роста ее сопротивления или уменьшения температуры в зоне реакции, а также для регулирования нагрузки при пуске блока синтеза.

Сброс давления из блока синтеза при остановке осуществляется на факельную установку по линии 6V90 (после сепаратора поз.621) через ручную арматуру. Возможность быстрого сброса давления в аварийных ситуациях обеспечивает аварийная продувка в атмосферу с двух сторон колонны синтеза через дистанционно управляемые электровентили поз.HC613, HC614 (со стороны входа) и поз.HC611, HC612 (со стороны выхода).

Свежая азотоводородная смесь, поступающая в цикл синтеза, содержит не вступающие в реакцию синтеза газы - метан и аргон. Накопление их уменьшает парциальные давления водорода и азота. Суммарная объемная доля метана и аргона на входе в колонну синтеза в принятых условиях процесса должна быть не более 18 % по прибору поз.Аn617_1, 2. Поддержание ее на определенном уровне достигается постоянной продувкой цикла синтеза. Продувка производится из линии всаса циркуляционной ступени компрессора синтез-газа поз.401 после первой ступени конденсации. Продувочный газ утилизируется после вымораживания из него аммиака.

Поступающий на вымораживание продувочный газ проходит теплообменник конденсационной колонны поз.611, где рекуперирует холод обратного потока, и поступает в испаритель жидкого аммиака поз.612. Пройдя трубное пространство испарителя, газ охлаждается за счет теплообмена с жидким аммиаком, кипящим в межтрубном пространстве. Охлажденный продувочный газ возвращается в сепарационную часть конденсационной колонны поз.611, где из него отделяется сконденсировавшийся жидкий аммиак. Далее продувочный газ проходит теплообменник, охлаждая встречный поток газа и выводится из колонны.

Расход продувочного газа поддерживается не более 8 200 м³/ч автоматическим регулятором поз.QIC602. Регулятор управляет клапанами, выдающими продувочный газ из конденсационной колонны в установку утилизации аммиака из танкового и продувочного газов (УТГ) или в установку выделения водорода. На каждой из этих линий установлено по два регулирующих клапана.

Расход продувочного газа может меняться в зависимости от активности катализатора. В начальный период его эксплуатации требуемая производительность достигается при меньших парциальных давлениях азота и водорода и содержание инертов в циркуляционном газе может быть более высоким. К концу пробега катализатора требуется уменьшение содержания инертов путем увеличения продувки.

Жидкий аммиак, отделившийся в сепараторе поз.621 и конденсационных колоннах поз.605 и поз.611, выдается из них регуляторами уровня в сборник жидкого аммиака поз.610. Уровень жидкого аммиака поддерживается: в сепараторе поз.621 - регулятором поз.LIC603, в конденсационной колонне поз.605 - регулятором поз.LIC601 и в конденсационной колонне продувочных газов поз.611 - регулятором поз.LIC606. Предусмотрено по два датчика измерения уровня и по две линии выдачи жидкого аммиака на каждом из указанных аппаратов. Каждая линия снабжена регулирующим клапаном и отсекателем. Защитные блокировки автоматически отсекают рабочие линии выдачи аммиака при аварийном уменьшении уровня в аппаратах и включают резервные линии при превышении максимального уровня.

Переключение линий производится отсекателями поз.HCV615 и HCV616 (аппарат поз.621), отсекателями поз.HCV601 и HCV602 (аппарат поз.605), отсекателями поз.HCV603 и HCV604 (аппарат поз.611). При восстановлении нормального уровня отсекатели автоматически возвращаются в исходное положение.

На линии жидкого аммиака из сепаратора поз.621 установлены магнитные фильтры поз.609 для улавливания катализаторной пыли.

В сборнике жидкого аммиака поз.610 происходит дегазация аммиака за счет уменьшения давления до значения от 1,77 до 1,96 МПа (от 18,0 до 20,0 кгс/см²) по прибору поз.P603. Выделившаяся смесь газов (водород, азот, метан, аргон и аммиак), т.н. танковый газ, проходит испаритель поз.613 для вымораживания аммиака. В трубном пространстве испарителя танковый газ охлаждается за счет теплообмена с жидким аммиком, кипящим в межтрубном пространстве. Охлажденный танковый газ проходит сепаратор поз.614, где сконденсировавшийся жидкий аммиак отделяется от газа и самотеком возвращается в сборник поз.610. Танковый газ из сепаратора выдается на установку УТГ. Давление танкового газа в сборнике поз.610 автоматически поддерживает регулятор поз.PIC603, изменяющий выдачу газа из сепаратора поз.614 на установку УТГ.

Уровень жидкого аммиака в сборнике поз.610 поддерживается регулятором поз.LIC605, управляющим выдачей аммиака из сборника на переохлаждение. Расход жидкого аммиака по этому потоку контролируется прибором поз.Q603 и должен быть не более 62 т/ч. Часть жидкого аммиака с расходом не более 38 т/ч выдается из сборника без переохлаждения на склад жидкого аммиака посредством регулятора расхода поз.QIC600. Предусмотрена линия выдачи аммиачной воды, образующейся при восстановлении катализатора колонны синтеза, из сборника в коллектор амводы, через съемный участок и клапан поз.LCV605-2, управляемый регулятором поз.LIC605-2.

Охлаждение жидкого аммиака до температуры от минус 30 °С до минус 34 °С перед подачей в изотермическое хранилище осуществляется в переохладителях поз.918А, В и расширительных сосудах поз.917А, В водоаммиачной абсорбционной холодильной установки (АХУ). В зависимости от условий работы агрегата аммиака и цехов, потребляющих аммиак, возможны следующие варианты выдачи аммиака по этому потоку:

1) Аммиак проходит охлаждение в переохладителях и расширительных сосудах до температуры от минус 30 °С до 34 °С и насосом поз.923 откачивается в изотермическое хранилище. Аммиак из изотермического хранилища I направляется потребителям через переохладители поз.918В и 918А для рекуперации холода и нагревается при этом до температуры не более 20 °С.

2) Аммиак проходит охлаждение в расширительных сосудах, а переохладители проходит по межтрубному пространству без теплообмена. Трубное пространство переохладителей отключается. Захоложенный аммиак выдается в изотермическое хранилище; возврат аммиака для рекуперации холода перед выдачей потребителям не производится.

Испарители поз.606, 612, 613 на циркуляционном, продувочном и танковом газах охлаждают указанные среды за счет теплообмена с кипящим в межтрубном пространстве жидким аммиаком. Аммиак поступает в испарители из АХУ, подача его поддерживается регуляторами уровня в испарителях: регулятором поз.LIC610 в аппарате поз.606, регулятором поз.LIC609 в аппарате поз.612, регулятором поз.LIC608 в аппарате поз.613. Испарившийся газообразный аммиак поступает на конденсацию в АХУ. Предусмотрены линии постоянного дренирования флегмы из испарителей в АХУ для исключения накопления в них воды (ввиду ее наличия в жидком аммиаке) и ухудшения работы испарителей.

Для сбора аммиака при дренировании фильтров поз.609 А, В, сборника жидкого аммиака поз.610 и уровнемерных колонок аппаратов поз.621, 605, 611 установлена промежуточная дренажная емкость поз.616. Предусмотрен подвод в нее речной воды и азота для разбавления аммиака и выдавливания в виде аммиачной воды в коллектор амводы и, далее, на склад.

Для разогрева катализатора в колонне синтеза используется огневой подогреватель поз.607. При пуске через него проходит часть газа, идущего в колонну синтеза, и направляется по линии холодного байпаса на первую полку. Расход циркуляционного газа регулируется в пределах
от 22 400 до 40 000 м³/ч дистанционно управляемой электрозадвижкой поз.HC610 и контролируется по прибору поз.Q601.

В межтрубном пространстве подогревателя сжигается природный газ, поступающий из цехового коллектора топливного газа. Давление газа перед горелками подогревателя контролируется по прибору поз.P609 и регулируется дистанционно управляемым клапаном поз.HCV605. Предусмотрены блокировки на автоматическое прекращение подачи газа на горелки закрытием отсекателя поз.HCV624 при уменьшении расхода циркуляционного газа через подогреватель, уменьшении давления топливного газа и уменьшении разрежения в топочном пространстве подогревателя по прибору поз.PS628.

Температура циркуляционного газа на выходе из подогревателя контролируется по прибору поз.T617, а температура стенок змеевиков - по приборам поз.T631_1,2. Температура регулируется подачей топливного газа на горелки; максимально допустимые значения устанавливаются в зависимости от давления циркуляционного газа в блоке синтеза.