Оборудование систем синтеза аммиака

По своему назначению основное технологическое оборудование отделения синтеза аммиака можно подразделить на следующие группы:

· реакционная аппаратура (колонны синтеза);

· аппаратура для выделения аммиака (холодильники-конденсаторы, сепараторы, конденсационные колонны);

· теплообменная аппаратура (паровые котлы, водоподогреватели, испарители и т.д.);

· вспомогательная аппаратура (сепараторы, фильтры и т.д.).

Колонна синтеза

Колонна синтеза аммиака состоит из корпуса высокого давления и вмонтированной в нем насадки, заполненной катализатором. В большинстве колонн имеются внутренние (встроенные) теплообменники. В ряде случаев в колонну синтеза помещают паровые котлы или устройства для отвода тепла посторонним теплоносителем.

Ø Корпус колонны синтеза представляет собой толстостенный цилиндр, изготовленный из легированной стали. Если в соответствии с конструктивными особенностями колонны не предусмотрено извлечение внутренней насадки, то применяются корпуса с обжатой горловиной (полочные колонны). Если же при ремонте и ревизии корпуса колонны предусмотрено извлечение насадки, верхнее отверстие выполняется равным внутреннему диаметру корпуса (колонны с трубчатой насадкой). Крышки колонн синтеза изготавливаются из стали.

По способу изготовления корпуса колонн синтеза подразделяются на кованно-сварные, штампосварные и многослойные.

Кованно - сварные корпуса изготавливают из отдельных цельнокованых цилиндрических цанг длиной 2-3м, свариваемых встык. Днище, суженную горловину или верхнюю утолщенную цангу отковывают отдельно и затем приваривают к цилиндрическому участку корпуса.

Штампосварные корпуса составляют из отдельных полуцанг, выгибаемых из толстолистовой стали и затем свариваемых продольными швами. Полученные короткие цанги длиной 1-2м сваривают встык. Цельнокованые концевые части приваривают затем к полученной цилиндрической части корпуса.

Многослойные корпуса изготавливают путем насаживания на внутреннюю сварную гильзу толщиной 25-30мм вальцованных полуобечаек толщиной 5-6мм постепенно увеличивающего диаметр. Полуобечайки при насадке прочно затягивают на заготовке и сваривают между собой. Торцы собранных многослойных обечаек длиной до 4м сваривают встык. Многослойные корпуса большого диаметра в настоящее время изготовляют методом рулонирования.

Ø Типы насадок колонны синтеза. Внутренняя насадка колонны синтеза предназначена для проведения процесса синтеза при определенном температурном режиме и для защиты корпуса от воздействия высоких температур. Насадка колонны синтеза состоит из катализаторной коробки и теплообменника (иногда применяется выносной теплообменник). В агрегатах синтеза аммиака небольшой мощности внутри насадки помещают пусковой электроподогреватель для разогрева газа в период пуска колонны до температуры начала реакции и для проведения восстановления катализатора. В агрегатах большой мощности с полочными насадками применяют выносной газовый подогреватель.

Конструкция насадки должна обеспечить автотермичность процесса, высокую производительность, надежность работы колонны в течение длительного периода ее эксплуатации, возможность создания необходимого температурного режима процесса синтеза, возможно более высокую степень превращения азотно-водородной смеси в аммиак.

Применяемые в настоящее время конструкции насадок можно разделить на следующие типы:

- трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа;

- полочные насадки с катализатором, загруженным сплошным слоем на каждой полке. Известны также различные варианты комбинированных конструкций насадок.

По характеру распределения газового потока насадки подразделяются на насадки с аксиальным и радиальным ходом газа.

üТрубчатые насадки. В трубчатых насадках в слое катализатора расположены трубки, в которых поступающий на катализатор газ нагревается за счет отводимого из зоны реакции тепла до температуры начала реакции. По теплообменным трубкам катализаторной зоны проходит газ основного потока после предварительного теплообменника и смешения с газом холодного байпаса (одно средство внутреннего регулирования).

Насадки при моноговариантном регулировании температуры. По конструкции трубок и направлению газового потока такие насадки делятся на четыре вида:

- насадки с простыми противоточными трубками;

- насадки с простыми прямоточными трубками;

- насадки с двойными противоточными трубками;

- насадки с двойными прямоточными трубками.

· Рассмотрим насадку с противоточными трубками, нижним расположением электроподогревателя и внутренним паровым котлом-утилизатором. Основной поток газа входит в колонну снизу, поднимается по зазору вдоль корпуса, проходит последовательно трубки теплообменника и трубки катализаторной коробки, затем подогреватель, слой катализатора, омывает трубки парового котла и далее поступает в межтрубное пространство теплообменника. Температурный режим регулируют байпасированием части или всего газа мимо парового котла.

Недостатки насадок с простыми противоточными трубками проявляются в значительном перегреве центральной части зоны катализа и низких температурах газа на выходе из слоя катализатора. Вследствие этого насадки подобной конструкции нашли применение главным образом в схемах без конденсации аммиака из циркулирующего газа при помощи аммиачных испарителей. В крупных агрегатах насадки такого типа не применяются.

· В насадке с простыми параллельными трубками и с внутренним котлом из двойных трубок, помещенным между катализаторной коробкой и теплообменником, основной поток газа входит в колонну сверху, проходит вдоль корпуса и поступает в межтрубное пространство теплообменника, а затем по наружному кожуху (или обводным трубкам) направляется в верхнюю часть катализаторной коробки. Далее газ проходит сверху вниз теплоотводящие трубки, поднимается по центральной трубе через электроподогреватель и входит сверху в катализаторный слой. Пройдя катализатор, газ поступает в полость котла, затем в трубки теплообменника, и выходит из колонны.

К достоинствам этой насадки следует отнести близкий к оптимальному температурный режим в зоне катализа. Однако вследствие сильного охлаждения лобового слоя катализатора холодным газом через стенки трубок, температурный режим при такой насадке оказывается недостаточно устойчивым и эти насадки не нашли применения в азотной промышленности нашей страны.

· Наиболее широко в агрегатах синтеза аммиака средней мощности в отечественной промышленности применяются насадки с двойными противоточными трубками. Газ поступает в колонну синтеза сверху, проходит кольцевой зазор между корпусом колонны и кожухом насадки, затем межтрубное пространство теплообменника, центральную трубу с электроподогревателем, верхнюю часть катализаторной коробки, внутренние и затем наружные трубки, слой катализатора, трубки теплообменника, и выходит из колонны снизу. Байпасный газ вводится в колонну снизу и смешивается с «основным» газом в верхней части теплообменника.

Преимущества насадки данного типа состоит в приближении температурного режима к «оптимальному», высокой устойчивости системы, простоте и надежности конструкции, удобстве монтажа. К ее недостаткам следует отнести, в первую очередь, высокое гидравлическое сопротивление.

· В случае использования насадки с двойными прямоточными трубками, газ в колонну поступает сверху, проходит кольцевой зазор у корпуса, межтрубное пространство теплообменника, внутренние, а затем наружные трубки, центральную трубу с электроподогревателем, катализаторный слой, трубки теплообменника, и выходит из колонны. Байпасный газ подается снизу по центральной трубе в верхнюю часть межтрубного пространства теплообменника. В связи с высоким гидравлическим сопротивлением и недостатками, свойственными насадкам с прямоточным теплообменником, эта конструкция не нашла широкого применения.

ü Полочные насадки. В полочных насадках катализаторная масса разделяется по высоте колонны на несколько слоев (полок), через которые последовательно проходит газ. Основной газ, поступающий на катализатор первой полки, нагревается до температуры начала реакции (400-420⁰С) в предварительном теплообменнике. Между полками подается холодный газ (через байпасы), что позволяет осуществлять многовариантное регулирование режима в зоне катализа. Поскольку в каждом катализаторном слое реакция идет без отвода тепла (адиабатический режим), то температура на отдельной полке по мере прохождения газа возрастает, а в пространстве между полками резко снижается за счет разбавления холодным газом, поэтому температурный режим в зоне катализа колонны с полочными насадками имеет ступенчатый характер. Чем больше полок, тем ближе к «идеальному» можно установить температурный режим. По характеру движения газа в слое катализатора относительно центральной оси колонны полочные насадки разделяются на аксиальные (с продольным течением газа по высоте колонны) и радиальные (с поперечным течением газа).

Большое распространение нашли аксиальные четырехполочные насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником.

Полочные насадки получили наибольшее распространение в крупнотоннажных агрегатах из-за простоты конструктивного оформления и высокой надежности. Основным недостатком колонн с полочной насадкой является разбавление непрореагировавшего газа байпасным газом с низким (3-4%) содержанием аммиака, что снижает эффективность работы насадки. В связи с этим степень превращения азотно-водородной смеси в аммиак в таких колоннах невысока (10-12%). Кроме того, аксиальные полочные насадки обладают сравнительно высоким гидравлическим сопротивлением. Вследствие этого применяют крупнозернистый катализатор, что, в свою очередь, понижает производительность колонн синтеза.

В последние годы получили распространение колонны синтеза аммиака с радиальным ходом газа через слой катализатора. Радиальный ход газа обеспечивает пониженное гидравлическое сопротивление слоя, что позволяет использовать более эффективный мелкозернистый катализатор.

Наиболее трудными проблемами при конструировании радиальных реакторов являются:

- обеспечение равномерного распределения газового потока по слою катализатора;

- компенсация усадки катализатора в процессе работы;

- создание необходимого (оптимального) температурного режима.