Промышленные схемы синтеза аммиака

В зависимости от применяемого давления различают три типа химико-технологических систем синтеза аммиака:

ü низкого давления (10 - 20 МПа);

ü среднего давления (20 - 60 МПа);

ü высокого давления (60 - 100 МПа).

На всех установках образующийся при синтезе аммиак выделяют охлаждением газа. При этом газообразный аммиак переходит в жидкое состояние. Температура, до которой нужно охладить газ для сжижения аммиака, зависит от давления. Чем ниже давление, тем более низкая температура требуется для выделения аммиака.

Системы низкого давления в настоящее время имеют очень ограниченное применение. При решении вопроса создания низкотемпературных, высокоактивных катализаторов реакции синтеза аммиака схемы низкого давления могут вновь стать перспективными. Применение низкого давления для синтеза аммиака позволило бы упростить производство и перевести все стадии процесса на одно давление, что резко уменьшило бы расход энергии на сжатие.

Системы среднего давления наиболее распространены. Они отличаются друг от друга способами конденсации аммиака. Чаще применяется двукратная конденсация водой и испаряющимся аммиаком. В системах среднего давления обеспечивается достаточно высокая скорость процесса, простота выделения аммиака из газовой смеси, возможность одновременного получения жидкого и газообразного продуктов.

Системы высокого давления. В этих системах достигается высокая степень конверсии, что позволяет применять однократную конденсацию аммиака (ограничиться применением водяного или воздушного охлаждения). Применение высоких давлений позволяет ускорить реакцию, уменьшить размеры аппаратуры. Однако с повышением давления увеличивается расход энергии на сжатие и быстрее изнашивается аппаратура.

Промышленные схемы синтеза аммиака, несмотря на различное технологическое и аппаратурное оформление, базируются на общих принципах, основанных на кинетических и термодинамических особенностях процесса. Условия проведения процесса синтеза аммиака в значительной степени определяются стремлением достигнуть максимальной производительности агрегата при минимальных материальных и энергетических затратах.

В современных агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности процесс ведут на железных катализаторах при температурах 420-500⁰С, давлении 25-30 МПа, объемной скорости 15000-25000 ч^-1. Съем аммиака с 1м³ катализатора в зависимости от содержания инертных примесей и каталитических ядов составляет 20-40т/сут.

Ø Циркуляция газа. Реакция синтеза аммиака является обратимой, поэтому полного превращения азота и водорода в аммиак за время их однократного прохождения через колонны синтеза не происходит. Условия равновесия процесса и кинетики его протекания на промышленных железных катализаторах обусловливают возможность превращения в аммиак лишь 20-40% исходной газовой смеси. Для более полного превращения реакционных газов в аммиак необходима их многократная циркуляциячерез колонну синтеза. Все современные схемы синтеза аммиака являются циркуляционными.

Циркуляцию газаобеспечивают при помощи циркуляционного насоса или компрессора. Циркуляционный контур наряду с циркуляционной машиной и колонной синтеза включает систему выделения аммиака из циркуляционного газа. Нередко циркуляционный контур включает оборудование для доочистки газа, а также аппаратуру для использования тепла реакции. В циркуляционный цикл синтеза аммиака непрерывно вводят свежий газ взамен азотно-водородной смеси, пошедшей на образование аммиака.

Место установки циркуляционного компрессора в цикле в значительной степени зависит от конструкции применяемой машины. При использовании поршневой циркуляционной машины не исключена возможность загрязнения циркуляционного газа смазочным маслом, являющимся катализаторным ядом. Поэтому поршневой циркуляционный насос устанавливают обычно перед системой вторичной конденсации, и циркуляционный газ до колонны синтеза отмывается от масла конденсирующимся жидким аммиаком. После поршневой машины обычно устанавливают фильтр для очистки газа от масла. Центробежный циркуляционный компрессор(ЦЦК), в котором возможность загрязнения газа маслом практически исключена, целесообразно устанавливать непосредственно перед колонной синтеза аммиака, что позволяет обеспечить более высокое давление в колонне. Снизить содержание аммиака на входе в колонну и повысить ее производительность. Нередко и ЦЦК устанавливают после колонны синтеза, поскольку превалирующим оказывается стремление к тонкой очистке циркуляционного газа.

ØВвод свежего газа в цикл синтеза аммиака. Для получения аммиака необходима газовая смесь, состоящая из азота и водорода, находящихся в стехиометрическом соотношении 1:3. Место ввода свежего газа в цикл синтеза аммиака в значительной степени определяется химическим составом газа.

Синтез-газ загрязнен примесями, состав и содержание которых зависят от состава сырья, применяемого для его получения, а также от технологической схемы подготовки и очистки синтез-газа. Обычно в свежем газе в качестве примесей присутствуют соединения кислорода (СО, СО₂, Н₂О) и серы, являющихся каталитическими ядами, а также инертные газы (в основном аргон и метан). Инертные газы не участвуют в процессе и не являются ядами, но, накапливаясь в цикле, снижают парциальное давление основных компонентов, тем самым, уменьшая производительность колонны синтеза аммиака.

Чистый свежий газ целесообразно вводить в цикл непосредственно перед колонной синтеза аммиака. Это позволяет повысить эффективное давление в колонне и снизить содержание аммиака в циркуляционном газе на входе в колонну. В случае если в состав свежего газа входят кислородсодержащие яды или масло, его следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления примесей конденсирующимся аммиаком.

Расход свежего газа – один из показателей экономической эффективности процесса. Практически расходный коэффициент по свежему газу в зависимости от технологической системы синтеза и эксплуатационных показателей процесса составляет обычно 2700- 2850 м³/т (в расчете на объемы газов, приведенные к нормальным условиям).

Ø Удаление инертных газов из цикла синтеза аммиака. Примерно 30-40% инертных газов выводится из цикла вследствие их растворения в жидком аммиаке, однако большая часть – остается в циркуляционном газе. Для повышения экономичности цикла синтеза аммиака необходимо применение эффективных способов выделения инертных газов. Наиболее простым и распространенным способом их выделения из цикла синтеза является отдувка части циркуляционного газа. Это так называемые газы постоянной продувки, или продувочные газы. Отдувку газа обычно проводят после первичной конденсации аммиака, до ввода в цикл свежего газа. Однако в данном способе при удалении инертных газов теряется значительное количество дорогостоящей азотно-водородной смеси. Если снизить содержание инертных газов в цикле до 4-6%(об.), то интенсивность процесса синтеза будет повышаться, но резко возрастут потери азота и водорода. При высоком содержании инертных газов (например, 20%об.) расходный коэффициент по свежему газу сокращается, но падает производительность системы. Оптимальное содержание инертных газов в цикле синтеза определяют на основе математического моделирования процесса.

Внедрение эффективных методов переработки и использования продувочных газов цикла синтеза аммиака значительно повышает экономичность производства аммиака.

ØВыделение аммиака из циркуляционного газа. Для наиболее эффективного использования циркулирующей азотно-водородной смеси необходимо возможно полнее выделять из нее аммиак перед тем, как вновь направлять в колонну синтеза. Для удаления аммиака в промышленности обычно используют два метода:

- вымывание аммиака из газа водой;

- конденсация аммиака, содержащегося в газе, путем его охлаждения.

Промывку газа водой проводят в тех случаях, когда содержание аммиака в газе колеблется от 5 до 10%. Промытый газ сушат и возвращают в циркуляционную систему. Полученную 20-30%-ную аммиачную воду используют непосредственно или подвергают отгонке для получения безводного аммиака. Хотя данный метод позволяет практически полностью удалить аммиак из газовой смеси, он не нашел распространения из-за низкой экономической эффективности и отравляющего действия влаги (остающейся в газе после его сушки) на катализатор.

Все современные схемы синтеза аммиака предусматривают выделение аммиака из цикла методом конденсации.

Аммиак выделяют путем конденсации при охлаждении газа. Чем ниже температура и выше давление, тем больше степень конденсации газообразного аммиака. Однако выделить весь аммиак из газовой смеси невозможно, поскольку любой температуре соответствует определенное и довольно высокое давление насыщенного пара NH₃.

Для выделения из газа большей части аммиака в системах среднего давления кроме первичной конденсации (путем водяного или воздушного охлаждения) применяют также вторичную конденсацию (путем аммиачного охлаждения). В некоторых системах среднего давления ограничиваются первичной конденсацией, однако это значительно снижает объем аммиака, так как на входе в колонну возрастает его содержание.

Системы синтеза аммиака высокого давления работают без вторичной конденсации.

Ø Использование тепла реакции синтеза аммиака. Технологические схемы синтеза аммиака с использованием тепла реакции отличаются способом отвода тепла и местом включения котла-утилизатора или подогревателя воды в тепловую схему. Отвод тепла реакции и его передача питательной воде котла-утилизатора или подогревателя могут осуществляться конвертированным (циркуляционным газом), т.е. по одноконтурной схеме, или посторонним теплоносителем – по двухконтурной системе.

Двухконтурная система наиболее часто применяется для адиабатического реактора с несколькими полками. Отвод тепла реакции в этом случае осуществляется непосредственно из зоны катализа посторонним теплоносителем, который является одновременно также средством регулирования температурного режима в катализаторной коробке. Теплоноситель (обычно дистиллированная вода) циркулирует по змеевикам, вмонтированным в колонну и расположенным между полками. Давление циркуляционной жидкости определяет максимальную температуру нагрева и, следовательно, давление пара, получаемого в котле-утилизаторе. Оно может быть независимым от давления в колонне или выровнено с ним.

Одноконтурные схемы. К одноконтурным схемам относятся тепловые схемы, в которых конвертированный газ направляется в котел-утилизатор или подогреватель воды. Указанные схемы отличаются местом отвода конвертированного газа из тепловой схемы.

ü Отвод тепла на выходе из зоны катализа. В этом случае газ, выходящий из катализаторной коробки при 450-500⁰С, поступает в котел-утилизатор, где охлаждается до 300-350⁰С, а затем в предварительном теплообменнике до 70-80⁰С. По этой схеме на 1т NH₃ можно получить 1т пара давлением 1-4 МПа.

ü Отвод тепла после первой секции предварительного теплообменника. В этом случае газ поступает в котел или подогреватель при 300-400⁰С, что облегчает условия работы коммуникаций высокого давления и приводит к сокращению общей поверхности теплообменных устройств.

ü Отвод тепла после предварительного теплообменника – утилизация тепла реакции мало эффективна вследствие низких температур на выходе из колонны синтеза.

Способы горячего байпассирования. В тепловых схемах, применяемых иногда для трубчатых реакторов, в котел-утилизатор выводится только часть прореагировавшего газа. Газ может быть выведен после предварительного теплообменника – перед входом в трубки катализаторной коробки; перед слоем катализатора; из горячей точки зоны катализа и после зоны катализа.

Рассмотрим технологическую схему получения аммиака при среднем давлении.

Рисунок 1 Технологическая схема получения аммиака при среднем давлении

1 – котел-утилизатор; 2 – колонна синтеза; 3- водяной холодильник; 4 – сепаратор; 5 – турбокомпрессор; 6 – конденсационная колонна; 7 – аммиачный холодильник.

Азотно-водородная смесь проходит вначале через конденсационную колонну 6, откуда подается сверху вниз в колонну синтеза 2. Теплота реакции отводится за счет котла-утилизатора 1, через который при температуре 400⁰С проходит азотно-водородо-аммиачная смесь, охлаждается и возвращается в колонну синтеза. В теплообменнике, смонтированном внутри колонны, смесь охлаждается до 90-100⁰С, поступает в водяной холодильник 3, а далее в сепаратор 4.

В водяном холодильнике при 30 МПа конденсируется только часть аммиака. Газ турбокомпрессором 5 подается в конденсационную колонну 6, часть аммиака из колонны циркулирует через аммиачный холодильник 7, в котором охлаждается и возвращается в конденсационную колонну, что способствует лучшему выделению аммиака из газовой смеси. Жидкий аммиак из сепаратора и с низа конденсационной колонны поступает на склад.