Файл: Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций.pdf

- 97 -

смесь, нагретая до 30°С в трубках теплообменника, по выходе из конде" ационной колонны поступает в колонну I синтеза аммиака при содержании 2-3%NHS , оставшегося в газе после его охлаждения. Вы­ ходящие из колонны синтеза газы с температурой І80-200°С направля­ ются в водяной конденсатор 2, где охлаждается до 35°С и поступают' в сепаратор 3. ЗД^сь из газа выделяется до 60? образовавшегося в колонне аммиака. Из сепаратора газовая смесь передается в циркуля­ ционный компрессор 4, где ее давление повышается до рабочего.Прой­ дя далее, маслоотделитель 5, газовая смесь поступает в межтрубное пространство конденсационной колонны 6, на выходе из которой сое­ диняется со свежим газом. Далее цикл повторяется.

Рис.25. Схема синтеза амаиака при среднем давлении:/ - колонна синтеза; 2. - водяные холодильники; J - сепаратор; 4 - циркуляцион­ ный компрессор; 5 - маслоотделители; б - конденсационная колонна; 7- испаритель; 8 - водоотделитель;9 - колонна предкатализа; /О -

компрессор

Место Ввода в цикл свежего газа определяется, исходя из сле­ дующих соображений. При наличии азото-водородной смеси высокой чистоты, не содержащей влаги и примеси инертных газов и ядов (газ после промывки жидким азотом), свежую смесь целесообразно подавать непосредственно в колонну синтеза. При работе на азото-водородной

- 98 -

сцеси, содержащей указанные примеси (газ после медно-аммиачной очистки), свежий газ в цикл обычно вводится между аппаратами пер­ вичной и вторичной конденсации аммиака. В этом случае газовая смесь проходит дополнительную очистку, промываясь жидким аммиа­ ком в конденсационной колонне.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора и конденсационной ко­ лонны отправляется на склад. Испарившийся газообразный аммиак, пройдя ловушку, поступает для сжижения в холодильную установку или в цехи, потребляющие в качестве сырья. Жидкий аммиак от­ водится на склад через промежуточный газоотделитель, в котором при снижении давления из жидкости выделяются так называемые тан­ ковые газы. Они содержат Л/г ,/У,, Сни; /Уг и до 60$ газообразного AMj, которой используется для приготовления аммиачной воды. При применении поршневого циркуляционного компрессора газ загрязняет­ ся смазочным масло, которое, попадая в колонну синтеза, отравля­ ет катализатор и снижает его производительность. В связи с этим поршневой циркуляционный компрессор устанавливают перед конденса­ ционной колонной, в результате чего газ очищается от масла.

Дентробе.лшй циркуляционный компрессср (ЦЦК) чаще всего рас­ полагают непосредственно перед колонной синтеза, так как циркуля­ ционный газ в этом случае не загрязняется маслом. При этом обес­ печивается более высокое давление в колонне и повышается ее про­ изводительность.

За рубежом получили распространение установки синтеза аммиа­ ка под давлением 500 ат. При этом давлении для циркуляции газа в системе обычно используется инжектор, установка которого позволя­ ет упростить схему. Кроме того, как указывалось выше, повышение давления позволяет'увеличить степень конверсии, снизить удельный расход азото-водородной смеси и расход'энергии на выделение амми­ ака из циркуляционных газов, а также уменьшить затраты металла на сооружение установки.

Технологическая схема агрегата, работающего под давлением 500 ат приведена на рис.26.

. Свежий газ под давлением, превышающим давление циркуляцион­ ного газа на 50-60 ат, поступает из системы предкатализа в газо­ струйный компрессор (инжектор I), который обеспечивает циркуля­ цию газа. Часто в схему агрегата параллельно инжектору включен поршневой циркуляционный компрессор, используемый только при ра-

- 99 ~

зогреве и восстановлении катализатора. Смесь циркуляционного а свеже ' газа подается инжектором в колонну синтеза, откуда газо-

а- водяной конденсатор- 8 - сепа­ сии газа в аммиак и при сравни­ ратор; 7- промежуточный сборник тельно небольшом соотношении

объемов циркуляционного и свежего газа. В некоторых установках внсокого давления вместо инжекторов применяштся центробежные Пирк- - ляционные компрессоры.

Колонны синтеза аммиака

Колонны синтеза аммиака являются наиболее сложным оборудова­ нием аммиачных систем. Конструкция колонны и материалы, из которых она изготовлена, должны обладать высокой прочностью, обеспечивать длительную безопасную работу при высоких давлениях и температурах и предотвращать обезуглераяиващее действие водорода на стальной корпус. Важным требованием к конструкции колонны 'является ее высо­ кая производительность. Кроме того, конструкция колонны должна обеспечивать автотермичность процесса и возможность использования избыточного тепла, выделяющегося при взаимодействии.

В современных аппаратах эти задачи решаются следующим обра­

зом.

Корпусы аппаратов высокого давления выполняются по одному' из трех основных вариантов:

1)кованные аппараты из углеродистой или легированной стали;-

2)многослойные корпуса из стальных цилиндров, которые наса­ жены друг на друга в горячем состоянии или напрессованы;

3)витые корпуса из внутреннего цилиндра, на который навито несколько слоев стальной ленты.

IOC -

На изготовление многослойных и витых корпусов высокого давле­ ния металла расходуется меньше,чем на изготовление кованых аппа­ ратов. Однако изготовление многослойных и витых корпусов сложнее. Корпуса колонн замыкаются затворами - устройствами, закрывающими и герметизирующими аппараты. Широко распространены самоуплотняю­ щиеся затворы, в которых уплотнение создается внутренним давлени­ ем в аппарате.

Для обеспечения надежности в работе толстостенные элементы, работающие под повышенным давлением, не подвергаются действию вы­ соких температур. Это достигается направлением тока поступающего холодного газа вдоль внутренних стенок колонны.

Автотермичность процесса достигается благодаря установке в корпусе колонны, наряду с катализаторной коробкой, теплообменника, где азото-водородная смесь подогревается за счет отходящих газов синтеза.

Высокая производительность колонн синтеза обеспечивается загоузкой максимально возможного количества катализатора с высокой

.лой поверхностью. Для увеличения производительности целесообре но удлинять высоту колонн, а внутренний их плачетр сохранять в

£гделах 1-2,13 м, так как увеличение диаметра колонны при высоких давлениях связано со значительным утолщением стенок ее корпуса.

Одним из необходимых условий обеспечения высокой производи­ тельности установки синтеза является поддержание оптимального тем­ пературного режима в зоне контактирования. Температура синтеза ре­ гулируется посредством размещения в катализаторной зоне теплообменных трубок ш ш другими способами, определяющимися конструкцией на­ садок колонн, включающих теплообменник и катализаторную коробку.

Применяемые в настоящее время конструкции насадок можно отнес­ ти к следующим двум основным типам:

1. Трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа,подраз­ деляемые на противоточзые, в которых потоки газа в теплообменных трубках и в слое катализатора имеют встречное направление, и прямо­ точные (обычно с двойными теплообменными трубками), в которых по­ токи газа движутся в трубках и в слое катализатора параллельно друг

ДРУіУ- 2. Полочные насадки с катализатором, загруженным сплошным сло­

ем на полки, и подводом холодного газа в пространство между полками. Известны многочисленные варианты конструкции насадок, являющих­

ся комбинациями перечисленных "таов.

- IOI -

Для обеспечения оптимального режима должно быть правильно оп­ ределено соотношение размеров предварительного теплообменника и катализаторной коробки и организован отвод тепла из зоны реакции таким образом, чтобы исключить возможность как перегрева, так и пе­ реохлаждения катализатора.

Трудность создания температурного режима колонн синтеза, близ­ кого к оптимальному, связана с тем, что образование аммиака по вы­ соте катализаторной коробки и, следовательно выделение тепла, про­ исходят неравномерно.

Противоточные насадки (рис.27,о , справа изображены графики распределения температур в катализаторной коробке). Газ из предва­ рительного теплообменника по трубкам катализаторной коробки движет­ ся в колонне снизу вверх и по выходе из теплообменных трубок посту­ пает в пространство, заполненное катализатором. Поскольку газ из

Холодныйбайпас

Рис.27. Противоточная насадка (а ), прямо­ точная насадка с двойными теплообменными трубками ( о ) и насадка с двумя холодными байпасами (ГИАП-ДА.ТЗ) - 5 : 1 - предваритель­ ный теплообменник; 2. - катализаторная короб­ ка; б -теплообменные трубки;4 - в теплообмен­

нике; 5 - в катализаторе

предварительного теплообменника поступает в нижнюю часть катализа­ торной коробки мало нагретым, создается большая разность темпера­ тур, вызывающая сильное охлаждение катализатора. Поднимаясь вверх по теплообменным трубкам, газ нагревается и в средней части катали-

- 102 -

заторной коробки, где выделяется наибольшее количество тепла, уже не может отводить тепло от катализатора. Вследствие этого катали­ затор перегревается.

Таким образом,при противоточной насадке средняя часть катали­ затора работает в условиях слишком высокого нагрева, нижняя часть — при температурах ниже оптимальной, вследствие чего достигаемая про­ изводительность катализатора ниже возможной.

Прямоточные насадки (O H C .27,J) в настоящее время имеют более широкое распространение. В прямоточных насадках мало нагретый газ, входящий в теплообменник катализаторной коробки, соприкасается че­ рез стенки трубок с наиболее горячими слоями катализатора. Уже на­ гретый в ходе реакции газ в меньшей степени охлаждает катализатор в нижней части колонны. При использовании прямоточных насадок тем­ пература верхнего слоя катализатора пониженная, что несколько уменьшает скорость синтеза.

Вколоннах синтеза следует избегать перегрева катализатора свыше 540-550°С, так как уже при 560°С начинается снижение его ак­ тивности вследствие рекристаллизации. Поэтому температуру "горячей точки" катализатора регулируют путем подачи части холодного газа в катализаторную коробку, минуя нижний теплообменник. При этом в пря­ моточной насадке температура снижается прежде всего в верхних сло­ ях катализатора, а в противоточной - в нижней части катализаторной коробки. Этот недостаток может быть устранен при использовании на­ садки с двумя холодными байпасами (рис.27,6).

Вкатализаторной коробке размещены два самостоятельных тепло­ обменника и имеются два холодных байпаса газа.

Верхним байпасом регулируют не только температуру "горячей

точки”, но и в большей степени температуру верхних и средних сло­ ев катализатора. Нижним байпасом регулируется температура в нижней части катализаторной коробки. Подбирая правильное соотношение пото­ ков газа, поступающих через эти два байпаса, температурный режим колонны синтеза приближают к оптимальному.

Другим конструктивным решением насадки с байпасами является полочный вариант (рис.28). В колонне с полочной насадкой темпера­ турный режим катализатора регулируется подачей холодного газа в пространство между слоями катализатора, размещенными на полках.

Некоторое снижение производительности полочной колонны обу­ словлено пикообразнны характером изменения температуры на каждой полке н тем, что не все количество газа щсходит через слой ката-