3. Технологическая схема синтеза аммиака при среднем давлении.
Получение аммиака состоит из четырёх стадий:
– приготовление азотоводородной смеси (АВС);
– очистка АВС;
– компремирование;
– синтез аммиака.
Все стадии представляют единую энерготехнологическую схему.
Перед стадией синтеза азотовдородную (АВС) сжимают – это стадия компремирования.
Отметим, что АВС получают двумя принципиально отличными способами:
♦ смешиванием раздельно полученных азота и водорода (проект «Линде»);
♦ паровоздушной конверсией метана с последующей конверсией оксида углерода (II) (проект ГИАП).
На Рис.5 приведена схема агрегата мощностью 450000 т/г (1360 т/сут.), включающая двухступенчатую паровоздушную конверсию метана, двухступенчатую конверсию СО, МЭА-очистку от СО2, окончательную очистку от СО и СО2 каталитическим гидрированием (метанирование) и, наконец, СИНТЕЗ АММИАКА (проект ГИАП).
Описание схемы.
Получение водорода конверсией метана и оксида углерода.
Очистка газа и конверсия метана. Природный газ (ПГ) под давлением 4 МПа после очистки от серосодержащих соединений в реакторе гидрирования 2 и адсорбере сероводорода 3 смешивается с паром в соотношении ПАР : ПГ = 3,7 : 1, подогревается в теплообменнике 4 отходящими газами из трубчатого конвертора и поступает в трубчатый конвертор 5.
*Перед реактором гидрирования 2 ПГ подогревается в подогревателе 1, а перед трубчатым конвертором 5 в теплообменнике 4 для увеличения скорости реакции.
Трубчатый конвертор имеет топку 6, где сжигается в качестве топлива природный газ.
В трубчатом конверторе 5 протекает первая ступень конверсии метана с водяным паром до образования СО и Н2 по следующей реакции
СН4 + Н2О = СО + 3Н2; ∆Н > 0 (реакция эндотермическая).
Процесс протекает на никелевом катализаторе при температуре 800 – 850 ºС.
Остаточное содержание метана после первой ступени конверсии составляет 9 – 10 % (об.). Эту стадию называют первичным реформингом.
Рис.5. Принципиальная схема синтеза аммиака под средним давлением:
1 – подогреватель природного газа; 2 – реактор гидрирования органической серы; 3 – адсорбер сероводорода; 4 – теплообменник; 5 – трубчатая печь-конвертор метана; 6 – топка; 7 – шахтный конвертор метана; 8 – паровой котел; 9 – конвертор СО I ступени; 10 – конвертор СО II ступени; 11 – теплообменник; 12 – регенератор СO2; 13 – абсорбер СО2; 14 – воздушный холодильник; 15 – метанатор; 16 – турбокомпрессор с газовой турбиной; 17 – паровая турбина; 18 – аммиачный холодильник; 19 – первичный сепаратор; 20 – вторичный сепаратор; 21 – холодильный теплообменник; 22 – водоподогреватель паровых котлов; 23 – «горячий» теплообменник; 24 – воздушный холодильник; 25 – полочная колонна синтеза
Далее газ смешивается с воздухом и поступает в шахтный конвертор на вторую ступень конверсии остаточного метана кислородом воздуха по реакции
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2; ∆Н < 0 (реакция экзотермическая).
при температуре 900 – 1000 ºС и соотношении ПАР : ГАЗ = 0,8 : 1.
Остаточное содержание метана после второй ступени составляет до 0,9 % (об). Эту стадию называют вторичным реформингом.
Перед конверсией СО газ необходимо охладить.
Из шахтного конвертора 7 газ направляется в котёл-утилизатор 8, где получают пар высоких параметров (10 МПа и 480ºС) и который направляют в газовые турбины центробежных компрессоров.
Конверсия СО. Из котла-утилизатора газ поступает на двухступенчатую конверсию СО, где протекает реакция:
CО + Н2О ↔ СО2 + Н2; ∆Н < 0 (реакция экзотермическая).
Конверсия СО осуществляется вначале в конверторе первой ступени 9 на среднетемпературном железо-хромовом катализаторе при температуре 430 – 470 ºС, а затем в конверторе СО второй ступени 10 на низкотемпературном цинк-хром-медном катализаторе при температуре 200 – 260 С.
Между первой и второй ступенями конверсии СО газ охлаждается, для чего устанавливают котёл-утилизатор 8. (Теплота газовой смеси, выходящей из второй ступени конверсии СО, используется для регенерации МЭА-раствора, выходящего из скрубера 13 очистки газа от СО2). (Регенерированный раствор МЭА проходит воздушный холодильник 14 и возвращается на МЭА очистку в абсорбер-скрубер 13).
Очистка от СО2.
После конвертора СО второй ступени 10 газ, пройдя теплообменник 11, поступает на очистку от СО2 в абсорбер-скрубер 13, орошаемый холодным раствором МЭА, где при температуре 30 – 40ºС происходит очистка газа от СО2 по реакциям:
RNH2 + СО2 + Н2О ↔ RNH3HСО2;
2RNH2 + СО2 + Н2О ↔ (RNH3)2СО2.
Тонкая очистка от СО и СО2 (метанирование).
На выходе из абсорбера газ содержит примеси кислородсодержащих каталитических ядов ( СО до 0,3% и СО2 в количестве 30 – 40 см3/м3), от которых газ необходимо очистить, для чего оксиды углерода затем гидрируют в метанаторе 15 при температуре 280 – 350ºС на никелевом катализаторе. В метанаторе протекают следующие экзотермические реакции:
СО +3Н2 = СН4 + Н2О;
СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О;
О2 + 2Н2 = 2Н2О.
Теплота очищенного газа после метанатора используется для подогрева питательной воды.
Дальнейшее охлаждение и сепарация выделившейся воды проводится в аппарате воздушного охлаждения и влагоотделителе. (На схеме их нет.)
Далее стадия компремирования и синтез аммиака.
Для сжатия азотоводородной смеси до 32 МПа и циркуляции газа в агрегате синтеза аммиака используют центробежный компрессор 16 с приводом от паровой конденсационной турбины 17.
Свежая азотоводородная смесь (АВС) смешивается с циркуляционным газом перед системой вторичной конденсации, состоящей из аммиачного холодильника 18 и сепаратора 20, проходит два теплообменника 21 и 23 и направляется в полочную колонну синтеза 25.
Прореагировавший газ при температуре 320 – 380ºС проходит последовательно водоподогреватель питательной воды 22, «горячий» теплообменник 23 и 24, «холодный» теплообменник 21, сепаратор жидкого аммиака 19 и поступает на циркуляционное колесо компрессора.
Жидкий аммиак из сепараторов 19 и 20 направляется в хранилище жидкого аммиака.
Содержание аммиака в оборотной АВС над жидким аммиаком зависит от температуры и давления. Так, при давлении 30 МПа и температуре (–5 ºС) в АВС остаётся около 2,5% NH3.
«Танковые газы». Выделение аммиака.
В результате дросселирования жидкого аммиака в сборнике с 32 МПа до 2,1 МПа происходит выделение растворённых в жидком аммиаке газов (водорода, азота, метана и аргона). Эти газы называются танковыми. Они содержат около 34% аммиака.
Выделение аммиака из танковых газов происходит в испарителе за счёт охлаждения газов до (– 18°С) испаряющимся жидким аммиаком. Сконденсировавшийся аммиак отделяется в сепараторе, а оттуда направляется в сборник. Танковые газы дросселируются до 1,1 – 1,8 МПа и направляются в агрегат конверсии метана для сжигания в трубчатых печах.
Колонна синтеза.
Колонна синтеза – это основной аппарат установки синтеза аммиака. Аппараты изготавливают из специальных лигированных сталей. При высоких параметрах процесса (температуре и давлении) аммиак и особенно водород взаимодействуют со сталью, ухудшая её механические свойства.
Колонна устроена так, что тепло уходящего газа используется для нагревания вновь поступающего.
УСТРОЙСТВО колонны синтеза рассмотрите самостоятельно.