Синтез аммиака

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..4

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ  УСТАНОВКИ…………………..6

2 ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ  КОНСТРУКЦИЙ 

    РЕАКТОРНЫХ УСТРОЙСТВ……………………………………………………...9

3 ВЫБОР КАТАЛИЗАТОРА И ОПТИМАЛЬНЫХ  УСЛОВИЙ 

    ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА…………………………………………………24

4 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО  БАЛАНСОВ……………...29

5 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ………………………………………….33

5.1 РАСЧЕТ ОБЪЕМА КАТАЛИЗАТОРА…………………………………….33

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ОБОРУДОВАНИЯ……………………….33

5.3 РАСЧЕТ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ……………………………………………34

5.4 РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ШТУЦЕРОВ……………………………………….36

6 РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

   КАТАЛИЗАТОРНОГО СЛОЯ………………………………………………..38

7 ЭКСПЛУАТАЦИЯ АППАРАТА……………………………………………..39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..41

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………..42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      ВВЕДЕНИЕ 

      Применение соединений азота в качестве удобрений определяет их первостепенное значение в жизни  человечества. Без минеральных удобрений  и в первую очередь, азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства, а с ростом интенсивности сельского хозяйства растёт дефицит в связанном азоте в обрабатываемых почвах.

      Азот относится  к группе химических элементов, играющих исключительно важную роль в живой природе и в жизни человека. Азот участвует в основных биохимических процессах. В составе белков он образует важнейшие питательные вещества для человека и животных. Но в синтезе белков растительных и животных организмов участвует не элементарный азот, имеющий очень прочную межатомную связь, а его химические соединения, прежде всего, аммиак. Из аммиака получают азотную кислоту и азотные удобрения. Соединения азота также широко применяются в производстве промежуточных продуктов и красителей, для изготовления пластических масс, химических волокон, фотографических препаратов, медикаментов и ряда других важных продуктов.

      Большое значение соединения азота имеют в производстве взрывчатых и зажигательных веществ.

      Производству азотных  удобрений и в первую очередь  их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. За  относительно короткий срок своего существования отечественное производство синтетического аммиака совершило стремительный взлёт.

      В середине шестидесятых годов в химической технологии, и  в первую очередь в производстве аммиака произошли коренные изменения. Эти изменения были подготовлены теорией химической технологии, разработавшей принцип построения энерготехнологических схем производства. Этот принцип предусматривает генерирование всей энергии, необходимой для процесса производства внутри технологической схемы.

      В настоящее время  в России потенциалом для производства синтетического аммиака обладают 18 предприятий с суммарными мощностями более 13 миллионов тонн химиката в год. Производителями аммиака являются предприятия химического комплекса. При этом среди основных его продуцентов преобладают компании, использующие данный химикат во внутризаводском потреблении для производства азотных удобрений.

      Лидером в производстве синтетического аммиака в России является АО "Тольяттиазот", на долю которого приходится 15,9% от общероссийского выпуска данного продукта. Среди других производителей крупными участниками рынка аммиака являются Холдинговая компания "Акрон", Новомосковское АО "Азот" и АО "Невинномысский Азот".

      Особое внимание аммиаку следует уделить в сфере производства азотных удобрений. Аммиак является сырьем для получения азотной кислоты, карбамида, аммиачной селитры, сульфата аммония, аммофоса.

      В данном проекте  рассматривается конверсия метана второй ступени, где главным аппаратом является конвертор метана второй ступени. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  СХЕМЫ УСТАНОВКИ 

      При синтезе аммиака  в агрегате мощностью 1360 т/сут на отечественном оборудовании свежая азотоводородная смесь после  очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны КК для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается от водяных паров и следов СО₂ и масла, насыщается аммиаком до 3 – 5 % и смешивается с циркуляционным газом (– 8 – 8 –). Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника ВТ, где нагревается до 185 – 195 ⁰С теплотой газа, выходящего из колонны синтеза КС. Для дополнительного нагрева газа, поступающего в колонну синтеза КС, может использоваться подогреватель газа ПГ.

      В колонне синтеза газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400 – 440 ⁰С теплотой конвертированного газа и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15 %. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500 – 515 ⁰С азотоводородноаммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 300 ⁰С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси до   215 ⁰С происходит в трубном пространстве подогревателя питательной воды ПВ, в трубном пространстве выносного теплообменника ВТ до 65 ⁰С холодным циркулирующим газом, идущим по межтрубному пространству, и затем в аппаратах воздушного охлаждения БАО до 40 ⁰С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе С1, а затем смесь, содержащая 10 – 12 % NH₃, идет на циркуляционное колесо компрессора ЦК азотоводородной смеси, где сжимается до 32 МПа.

      Циркуляционный газ  при температуре 50 ⁰С поступает в систему вторичной конденсации, включающую в себя конденсационную колонну КК и испарители жидкого аммиака ИА1,2. В конденсационной колонне газ охлаждается до   18 ⁰С и в испарителях вследствие кипения аммиака в межтрубном пространстве до -5 ⁰С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходят отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник ВТ, а затем в колонну синтеза КС.

      Жидкий аммиак из первичного сепаратора С1 проходит магнитный  фильтр Ф, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны КК. Затем его дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиака Е. В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов H₂, N₂, O₂, CH₄. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16 – 18 % NH₃. Поэтому танковые газы направляют в испаритель ИА4 для утилизации аммиака конденсацией его при -25 ⁰С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор С2 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака Е.

      Для поддержания  в циркуляционном газе постоянного  содержания инертных газов, не превышающего 10 %, проводят  продувку  газа  при  первичной конденсации аммиака (после сепаратора С1). Продувочные газы содержат 8 – 9 % NH₃, который выделяется при температуре -25 – 30 ⁰С в конденсационной колонне ККГ и испарителе ИА3 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2 ОБЗОР И АНАЛИЗ  СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ РЕАКТОРНЫХ УСТРОЙСТВ 

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

            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 агрегатов 1360—1500 т/сут). Если же при ремонте и ревизии корпуса колонны предусмотрено извлечение насадки, верхнее отверстие выполняется равным внутреннему диаметру корпуса (колонны агрегатов мощностью до 600 т/сут и 1360 т/сут с трубчатой насадкой). Поковки колонн Синтеза, крышки, уплотнительные кольца изготавливаются, как правило, из стали 22ХЗМ.

            По способу изготовления корпуса колонны синтеза подразделяются на кованно-сварные, штампосварные  и многослойные. Кованно-сварные корпуса  изготавливают из отдельных цельнокованых цилиндрических царг длиной 2-3 м, свариваемых  встык. Днище, суженную горловину или верхнюю утолщенную царгу отковывают отдельно и затем приваривают к цилиндрическому участку корпуса (рисунок 2.1).

    Рисунок 2.1 – Кованно-сварной корпус колонны синтеза аммиака.

    Штампосварные корпуса составляют из отдельных полуцарг, выгибаемых из толстолистовой стали и затем свариваемых продольными швами. Полученные короткие царги длиной 1 – 2 м сваривают встык. Цельнокованые концевые части приваривают затем к полученной цилиндрической части корпуса. Многослойные корпуса изготавливают  путем   насаживания  на внутреннюю сварную гильзу толщиной 25 – 30 мм вальцованных полуобечаек толщиной 5 – 6 мм  постепенно увеличивающегося диаметра. Полуобечайки при насадке прочно затягивают на заготовке и сваривают между собой. Торцы собранных многослойных обечаек сваривают встык. Многослойные корпуса большего диаметра в настоящее время изготавливают методом рулонирования.

      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 мощностью до 600 т/сут внутри насадки помещают пусковой электроподогреватель для разогрева газа в период пуска колонны до температуры начала реакции и для проведения восстановления (довосстановления) катализатора. В агрегатах мощностью 1360 т/сут с полочными насадками применяют выносной газовый подогреватель. 

      Конструкция насадки  должна обеспечить автотермичность процесса, высокую производительность, отнесенную к единице внутреннего объема поковки высокого давления, надежность работы колонны в течение длительного периода ее эксплуатации, возможность создания необходимого температурного (близкого к оптимальному) режима процесса синтеза, возможно более высокую степень превращения азото-водородной смеси в аммиак и так далее. 

      Данные кинетических измерений и анализ уравнения Темкина-Лыжева показывают, что оптимальным температурным режимом, позволяющим обеспечить наибольшую скорость процесса синтеза является «падающий» (по высоте катализаторного слоя) режим.

      Температурный режим  в колонне синтеза обычно регулируют изменением   расхода  газа,   подаваемого через холодные байпасы. По числу независимых байпасных потоков различают одно-, двух- и многовариантное  регулирование  режима   работы  насадки   колонны.

      Применяемые в настоящее  время конструкции насадок можно  разделить на следующие типы: 1) трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа; 2) 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.

      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 моновариантном регулировании температуры. По конструкции трубок и направлению газового потока такие насадки делятся на четыре вида: 1) насадки с простыми противоточными трубками;  2) насадки с простыми  прямоточными трубками; 3) насадки с двойными  противоточными  трубками;  4) насадки с двойными прямоточными трубками.

      В насадке с простыми параллельными трубками и с внутренним котлом, 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 полость 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 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 промышленности применяются насадки с двойными противоточными трубками.

      Преимущества насадки  данного типа состоят 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 [8].

      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 зону межтрубного пространства теплообменника. В связи с высоким гидравлическим сопротивлением и недостатками, свойственными насадкам с прямоточным теплообменником, эта конструкция не нашла широкого применения.

      С целью улучшения распределения температур в слое катализатора трубчатых реакторов С. С. Лачиновым была разработана насадка типа ГИАП-ДАТЗ. Катализаторная коробка с этой насадкой включает систему простых противоточных трубок и систему трубок Фильда. Число противоточных трубок выбрано так, чтобы избежать переохлаждения нижних слоев катализатора. Двойные трубки выполняют роль второго байпаса, позволяющего отводить тепло из верхней, сильно перегретой зоны катализа.

      К насадкам при двухвариантном регулировании температуры относятся насадки катализаторной коробки с двухзональными трубками, в которых тонкие трубки байпаса, подводящие холодный газ, опущены внутрь основных противоточных трубок. Температура газа в кольцевом пространстве верхней части основных труб снижается в результате смешения его с холодным газом, что позволяет увеличить отвод тепла из горячей зоны.

      Благодаря двум независимым  системам регулирования удается  улучшить температурный режим в зоне катализа и приблизить его к оптимальному. Такая гибкость регулирования позволяет избежать перегрева катализатора в начальный период эксплуатации и улучшает условия ведения процесса при изменении его параметров.

      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 – 420 °С) 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).

      В агрегатах мощностью 1360 т/сут распространение нашли  аксиальные четырехполочные насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником.

      На рисунке 2.2 показана четырехполочная колонна. Основной поток газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство теплообменника. Здесь синтез-газ нагревается теплом конвертированного газа, выходящего из катализаторной коробки, до 410 – 440 ⁰С и затем последовательно проходит 4 полки катализатора, между которыми подается холодный байпасный газ. Пройдя четвертый слой катализатора, азото-водородяая смесь при 500 – 515 ⁰С поднимается по центральной трубе, проходит по трубкам теплообменника, охлаждаясь при этом до 320 – 350 ⁰С, и выходит из колонны. При пуске колонны катализатор разогревают при помощи выносного газового подогревателя. Техническая характеристика четырехполочной колонны синтеза аммиака агрегата мощностью 1360 т/сут приведена ниже:

     Давление, МПа             31,5 

     Рабочая температура, ⁰С       300—520 

     Диаметр (внутренний), мм    2400

     Высота, м                      32 

     Толщина стенки, мм              250 

     Объем    катализатора по полкам   I—IV, м3     7; 8,4;  12,8; 14,7

     Встроенный   теплообменник

        диаметр поковки (внутренний), мм    1000

        высота, м                                                 6

        размер трубок, мм                                  12x1,5

        число трубок                                           1920

      Рисунок 2.2 – Четырехполочная   колонна   синтеза   аммиака   агрегата   мощностью 1360 т/сут: 1 – люк для выгрузки катализатора; 2 – центральная труба; 3 – корпус катализаторной коробки; 3а – тепловой экран; 4 – термопарный чехол; 5 – загрузочный люк; 6 – теплообменник; 7 – ввод байпасного газа на I полку; 8 – I катализаторный слой; 9 – ввод байпасного газа на II полку; 10 – II катализаторный   слой;  11 – ввод байпасного газа на III полку; 12 – III   катализаторный   слой;  13 – ввод байпасного газа   на   IV   полку; 14 – IV катализаторный слой; 15 – корпус колонны.

            На рисунке 2.3 приведена схема трехполочной колонны синтеза аммиака.   

Техническая   характеристика   трехполочной   колонны   агрегата мощностью 1360 т/сут приведена ниже:

Давление,  МПа                    31,5

Рабочая    температура,  °С                           540

Диаметр  (внутренний), мм                          2500

Высота, м                                                       22

                Толщина стенки, мм                                   220

                Объем катализатора по полкам I – III      11; 16; 20

      Рисунок 2.3 – Трехполочная колонна синтеза: 1 – корпус колонны; 2 – корпус насадки; 3 – ввод байпасного газа на III полку; 4 – фарфоровые шары; 5 – ввод байпасного газа на II полку; 6 – сальниковые уплотнения; 7 – термопарный карман; 8 – I слой, катализатора; 9 – II слой катализатора; 10 – III слой катализатора.

      Полочные насадки получили наибольшее распространение в крупнотоннажных агрегатах из-за простоты конструктивного оформления и высокой надежности. Основным недостатком колонн с полочной насадкой является разбавление прореагировавшего газа холодным байпасным газом с низким (3 – 4%) содержанием аммиака, что снижает эффективность работы насадки. В связи с этим степень превращения азото-водородной смеси в аммиак в таких колоннах невысока (Δ%NH₃ = 10 – 12%). Кроме того, аксиальные полочные насадки обладают сравнительно высоким гидравлическим сопротивлением. Вследствие этого применяют крупнозернистый катализатор, что, в свою очередь, снижает производительность колонн синтеза.

      В агрегатах мощностью 600 т/сут применяют насадки, представленные на рисунок 2.4. Это насадки смешанного типа, то есть катализаторная коробка состоит из двух адиабатических полок с катализатором, между которыми расположена катализаторная   зона   с  теплообменными   трубками.   Газ   поступает   в  колонну сверху, омывает корпус колонны и направляется в межтрубное пространство теплообменника, далее проходит щель между наружным кожухом катализаторной коробки и кожухом второго адиабатического слоя, трубки катализаторного слоя, центральную трубу с электроподогревателем и поступает в первую адиабатическую зону катализа. Пройдя ее и слой катализатора в межтрубном пространстве центрального теплообменника, газ поступает во вторую адиабатическую зону катализа. Байпасный газ подается в колонну снизу, смешиваясь с основным потоком газа в верхней части нижнего теплообменника.

      Насадки данного типа обеспечивают благоприятный температурный режим, близкий к «оптимальному». Однако эти насадки, так же, как и насадки с двоичными трубками Фильда, обладают высоким гидравлическим сопротивлением. 

      Рисунок 2.4 – Насадка колонны синтеза аммиака мощностью 600 т/сут.: 1 – корпус колонны; 2 – наружная изоляция; 3 – корпус насадки; 4 – электроподогреватель; 5 – крышка колонны; 6 – электроввод; 7 – верхний адиабатический слой катализатора; 8 – средний теплообменный слой катализатора; 9 – теплообменные трубки; 10 – нижний адиабатический слой катализатора; 11 – нижний теплообменник; 12 – сальниковые уплотнения.

      Техническая характеристика колонны синтеза аммиака агрегата мощностью 600 т/сут приведена ниже:

     Давление, МПа                          33 

     Рабочая температура, ⁰С   300—530

     Диаметр     (внутренний), мм    1650 

       Высота, м                                     17,4

     Толщина стенки, мм                   175

     Объем   катализатора по полкам   I—III, м³     2; 5; 8 

     Теплообменники   предварительный  и катализа торной коробки

     высота, м                                     1,5; 5,3

     размер    трубок,   мм                 16x2;  20X2

     число  трубок                               2660; 690 
 Поверхность    теплообмена, м²  200; 230

      В последние годы в азотной промышленности получили распространение колонны синтеза аммиака с радиальным ходом газа через слой катализатора. В мире работает около 100 таких реакторов, мощностью от 1000 до 1500 т/сут. 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 и создание необходимого (оптимального) температурного режима.

      Равномерное распределение  газа по высоте катализаторного слоя обеспечивают следующими мерами: установкой распределительной решетки с более высоким сопротивлением, чем сопротивление слоя, или решетки с переменным по высоте сопротивлением; изменением поперечного сечения щелей, подводящих и отводящих газ; изменением фракционного состава зерен катализатора по высоте слоя.