книги / Основные новые разработки в технологии аммиака

УДК 661.53(075.8) О-78

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор В.З. Пойлов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, заместитель директора по научной работе М.С. Дьяков

(Уральский государственный научно-исследовательский институт региональных экологических проблем)

Островский, С.В.

О-78 Основные новые разработки в технологии аммиака : учеб. пособие / С.В. Островский, М.В. Черепанова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 63 с.

ISBN 978-5-398-02098-4

Рассмотрены наиболее значимые для совершенствования технологии аммиака проблемы, связанные со снижением энергетических затрат, разработками новых катализаторов, технологических приемов, новых конструкций основных каталитических реакторов, созданием аммиачных производств повышенной единичной мощности (мегааммиак). Приведены новые перспективные разработки крупнейших зарубежных фирм.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению18.04.01«Химическая технология» (профиль магистратуры «Химическая технология неорганических веществ и материалов»).

УДК 661.53(075.8)

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии представлены материалы, необходимые для изучения магистрантами раздела «Основные разработки в технологии аммиака» дисциплины «Технология основного неорганического синтеза». Основой этих материалов послужили научные сообщения сотрудников зарубежных фирм, публикующиеся по результатам ежегодных симпозиумов Американского института химических инженеров (The AIChE Ammonia Safety Symposium) в виде сборников Ammonia Technical Manual.

Разделы пособия посвящены наиболее значимым для совершенствования технологии аммиака проблемам, связанным со снижением энергетических затрат, разработками новых катализаторов и технологических приемов, новых конструкций основных каталитических реакторов, созданием аммиачных производств повышенной единичной мощности («мегааммиак»).

Рассматриваются новые перспективные разработки крупней-

ших зарубежных фирм (Kellogg Brown & Root (KBR), Uhde, SudChemie, Haldor Topsoe, Ammonia Casale, Lurgi и др.), которые спе-

циализируются на исследованиях, проектировании и строительстве аммиачных производств.

Учебное пособие призвано помочь студентам в изучении основных перспективных направлений совершенствования технологии аммиака, формировании умения осваивать приемы и методы анализа технологических процессов в производстве аммиака, формировании навыков обоснования и реализации оптимальных технологических режимов в производстве аммиака.

Для закрепления изученного материала в конце пособия помещены задания для самостоятельной работы студентов, а также приведены примеры их выполнения.

4

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ АММИАКА

Аммиак является одним из самых крупнотоннажных продуктов химической промышленности. В восьмидесяти странах мира около 550 заводов производят ~170 млн т аммиака в год. Значительная часть современных предприятий, производящих аммиак, оснащена энерготехнологическими агрегатами с мощностями более 1500 т аммиака в сутки.

Около 85 % аммиачных производств используют в качестве сырья природный газ. Современный процесс производства аммиака,

вкотором используется в качестве сырья природный газ, включает

всебя стадии компрессии природного газа, сероочистки природного газа, компрессии технологического воздуха, первичного и вторичного риформингов, паровой конверсии СО, очистки технологического

газа от СО2, метанирования, компрессии синтез-газа и синтеза аммиака, регенерации водорода. Схематично типичное производство аммиака показано на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная блок-схема традиционной технологии аммиака

Основные проблемы технологии аммиака связаны с усовершенствованием катализаторов производства, а также с необходимостью снижения энергетических затрат.

Разработки новых катализаторов синтеза аммиака, в частности катализаторов AmoMax-10 фирмы Sud-Chemie, KATALCO 74-1

фирмы ICI, KAAP фирмы Kellogg Brown & Root, позволили создать агрегаты по производству аммиака большой единичной мощности

5

и агрегаты, работающие при пониженном давлении на стадии синте-

за (8–15 МПа).

Для снижения энергетических затрат используются следующие технологические усовершенствования: адиабатический предриформинг, снижение величины соотношения пар/газ на стадии паровой конверсии природного газа, применение избытка воздуха на вторичном риформинге, использование энергетически выгодного абсорбента на стадии очистки технологического газа от СО2, реализация синтеза аммиака при низком давлении.

Основные мероприятия по усовершенствованию производства аммиака приведены в табл. 1.

Окончание табл. 1

Большинство мероприятий, особенно связанных с утилизацией тепла дымовых газов в конвективной секции печи первичного

7

риформинга (трубчатой печи), уже проведены на многих предприятиях по производству аммиака. В значительной степени разработаны и используются новые катализаторы первичного и вторичного риформингов, конверсии СО, метанирования, а также различные технологии очистки технологического газа от СО2.

Более радикальные мероприятия по усовершенствованию технологии аммиака связаны с применением новых катализаторов синтеза аммиака, новых конструкций колонн синтеза, а также с использованием на стадиях риформингов избытка воздуха и воздуха, обогащенного кислородом.

Последние мероприятия увеличивают долю экзотермических процессов на стадии риформинга углеводородов, а следовательно, снижают энергетические затраты на проведение эндотермического процесса парового риформинга. Однако они же приводят к снижению величины соотношения водород/азот в синтез-газе, т.е. к увеличению количества азота в нем по сравнению со стехиометрией реакции синтеза аммиака. Это требует вывода азота из цикла синтеза во избежание его накопления при циркуляции не прореагировавшей в колонне синтеза азотоводородной смеси. Выходом из положения может быть криогенная очистка синтез-газа от избыточного азота, метана и части аргона (процесс Purifier фирмы KBR).

К радикальному усовершенствованию технологии аммиака приводит использование кислорода на стадии риформинга. Применение кислорода при риформинге углеводородных газов требует включения в технологию аммиака установки по разделению воздуха, которая дает возможность получить одновременно с кислородом и азот для синтеза аммиака. Такую концепцию используют фирмы Lurgi и Ammonia Casale в своем проекте мегааммиака.

2.ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВПРОИЗВОДСТВЕ АММИАКА

Большое значение для снижения энергетических затрат имеют разработки новых усовершенствованных видов оборудования, в частности аппаратов теплообменного риформинга и новых конструкций колонн синтеза аммиака.

8

Примерами аппаратов теплообменного риформинга являются аппараты системы KRES фирмы Kellogg Brown & Root и HTER фирмы Haldor Topsоe.

Новые колонны синтеза аммиака с радиальным ходом газа через слои катализатора и с внутренними теплооменниками разрабо-

таны фирмами Kellogg Brown & Root (США), Haldor Topsоe (Дания)

иUhde (Германия).

Внастоящее время разработаны и внедрены агрегаты по производству аммиака 4-го поколения с уровнем энергетических затрат

7–9 Гкал/т NH3.

Производства аммиака являются интенсивными потребителями энергии. Частично ее источниками являются электричество и топливный газ, но в основном это природный газ, использующийся в качестве сырья. Современные производства аммиака требуют по-

рядка 30 ГДж (7,2 Гкал) энергии для производства одной тонны аммиака. Это соответствует примерно 830 нм3 высококалорийного

природного газа на тонну аммиака. Теоретический расход природного газа составляет 620 нм3/т.

Всвязи с введением в 60-х гг. крупных производств аммиака, основанных на центробежных компрессорах, производственные мощности возросли с 600 до 1800 т аммиака в сутки. В то же время общее потребление энергии новых установок снизилось с 9,6 до 7,2 Гкал на тонну аммиака. Однако у многих производств аммиака потребление энергии в настоящее время значительно превышает эту цифру.

За последние двадцать лет был разработан ряд технологий по улучшению энергоэффективности на производствах аммиака. Две из них оказали наибольшее влияние на развитие отрасли.

Прежде всего, было разработано компрессорное оборудование с гораздо большей эффективностью компрессии и расширения по сравнению с тем, что было 10 лет назад. Это привело к значительной экономии энергии, особенно для двух крупных потребителей энергии, таких как компрессор технологического воздуха и компрессор синтез-газа.

9

Вторая разработка нашла применение в секции удаления СО2. В стандартных проектах требовалось общее потребление энергии 120 МДж на киломоль удаленного СО2. Эта цифра может быть гораздо ниже (80 МДж/кмоль). Такое снижение возможно за счет применения более качественного абсорбента и/или установки так называемого ребойлера обратного потока. Однако недавно разработаны технологии с минимальным потреблением энергии: 40 МДж/кмоль с раствором MDEA и даже 10 МДж/кмоль с более дорогим абсор-

бентом Selexol.

Основной задачей каждой реконструкции производства аммиака является скорее экономия природного топливного газа, чем экономия природного газа, используемого в качестве сырья. Топливный газ применяется в радиантных горелках первичного риформинга, в газовой турбине, если она используется, а также дополнительно в горелках пароперегревателя или в горелках вспомогательного котла.

Радиантные горелки в первичном риформинге потребляют наибольшее количество топливного газа в производстве аммиака. Естественно, что многие проекты по реконструкции производства, связанные с повышением его эффективности, в первую очередь направлены на снижение потребления газа этими горелками.

Температура подогрева обычной парогазовой смеси (ПГС) на стандартном производстве аммиака составляет порядка 500 °С. Расход топливного газа в радиантных горелках может быть снижен путем подачи в радиантные трубы парогазовой смеси при более высокой температуре. Эта повышенная температура обычно достигается путем большего нагрева в секции конвекции. Небольшое повышение, скажем, до 520 °С, вполне достижимо в проектных пределах имеющегося оборудования.

Также могут использоваться и температуры порядка 600 °С, что соответствует снижению расхода природного газа в радиантных горелках до 15 %. Однако для таких более высоких температур требуется дорогостоящая модернизация системы на входе парогазовой смеси в катализаторные трубы.

10