Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Области применения.
Синтетический аммиак применяют для получения азотной кислоты, минеральных удобрений (нитрофоска, амселитра, нитроаммофоска), аммиачной воды, красителей, взрывчатых веществ, в медицине и холодильной промышленности, и в качестве удобрений.
Таблица 4.2
Характеристика вспомогательных материалов
Наименование вспомогательных материалов | Обозначение технических условий | Наименование показателей обязательных для проверки | Нормы показателей по НТД |
Катализатор синтеза аммиака СА-Н СА-С BASF | ТУ 113-03-394-88 | Внешний вид: - для гранулированного катализатора - для дробленого катализатора Гранулометрический состав: а) размер зерен и гранул б) массовая доля нормируемой фракции в) массовая доля фракции размером до 0,5 мм г) массовая доля нерасколотых гранул в гранулированном катализаторе Насыпная плотность: - для восстановленного; - для окисленного. Массовая доля металлического железа: - для окисленного катализатора; - для восстановленного катализатора. Массовая доля оксида железа (??) (FеО): - для окисленного катализатора; - для восстановленного катализатора. | черные гранулы округлой формы черные зерна неправильной формы для марки СА-Н: для марки СА-С: 5-7 мм 5-7 мм 7-10 мм 7-10 мм 10-15 мм 10-15 мм не менее 78 % не менее 78 % не более 3 % не более 3 % не менее 75 % не менее 75 % 2,1 0,2 кг/дм3 2,1 0,2 кг/дм3 2,7 0,2 кг/дм3 2,7 0,2 кг/дм3 не нормируется не нормируется не менее 72 % не менее 72 % 31-40 % 31-40 % не нормируется не нормируется |
4.3. Описание технологической схемы
4.3.1. Компримирование синтез-газа.
Очищенный от СО и СО2 синтез-газ с температурой не более 43 °С и давлением до 2,53 МПа (25,8 кгс/см2) поступает на всас трехкорпусного компрессора синтез-газа, имеющего четыре ступени для сжатия синтез-газа и ступень для сжатия циркуляционного газа.
В первой ступени корпуса низкого давления газ сжимается до давления 5,17 МПа (52,7 кгс/см2), нагреваясь при этом до температуры не более 140 °С, и направляется в теплообменник 136-С, где охлаждается до температуры не более 85 °С, нагревая газ, идущий на метанатор.
Затем газ поступает в воздушный холодильник 177-С, где охлаждается до температуры не более 49 °С, проходит сепаратор 105-F и поступает на всас второй ступени компрессора.
От всасывающего трубопровода второй ступени производится отбор синтез-газа на дозировку в систему сероочистки через регулятор FrRC-17 и отбор в линию антипомпажной защиты первой ступени через клапан FCV-7.
Во второй ступени компрессора синтез-газ сжимается до давления не более 9,81 МПа (100 кгс/см2) и с температурой не более 150 °С поступает в воздушный холодильник 116-С, где охлаждается до температуры не более 49 °С. Для связывания диоксида углерода и влаги в линию газа перед холодильником 116-С насосами 117-J/JA из сборника 109-F впрыскивается жидкий аммиак.
После воздушного холодильника синтез-газ поступает в аммиачный холодильник 129-С, где за счет испарения аммиака в межтрубном пространстве температура газа снижается до 5¸8 °С.
Отделение сконденсировавшейся жидкости из охлажденного газа производится в сепараторе 123-F, откуда конденсат через регулятор уровня LIC-27 выводится в отпарную колонну 103-Е, а газ поступает на всас третьей ступени компрессора с давлением не более 9,81 МПа (100 кгс/см2) и температурой не более 8 °С.
В третьей ступени (корпус среднего давления) газ сжимается до давления не более 21,58 МПа (220 кгс/см2), нагреваясь при этом до температуры не более 119 °С. После третьей ступени газ поступает в воздушный холодильник 178-С, где охлаждается до температуры 49 °С и направляется для отделения сконденсировавшейся влаги в сепаратор 124-F, откуда конденсат регулятором уровня LIC-28 выводится в отпарную колонну 103-Е, а газ идет на всас четвертой ступени компрессора.
Из сепаратора 124-F газ идет на всас четвертой ступени компрессора (корпус высокого давления).
После четвертой ступени газ выходит с давлением не более 32,96 МПа (336 кгс/см2) и температурой не более 128 °С и направляется в воздушный холодильник 124-С.
Из линии нагнетания четвертой ступени компрессора производится отбор газа перед холодильником 124-С в коллектор антипомпажной защиты четвертой ступени через клапан FCV-65.
В корпусе высокого давления компрессора 103-J расположена циркуляционная ступень, служащая для дожатия синтез-газа после колонны синтеза до рабочего давления.
На всас циркуляционной ступени газ поступает с температурой не более 21 °С. Сжимается здесь до давления не более 32,96 МПа (336 кгс/см2), нагреваясь до температуры 30-32 °С.
На случай разгрузки системы синтеза в схеме компрессора предусмотрен байпас с общего нагнетательного коллектора свежего и циркуляционного газа на всас циркуляционной ступени компрессора. На байпасе установлен клапан НС-29 с дистанционным управлением.
При работе компрессора в корпусе высокого давления возможно создание условий, благоприятных для образования карбоната или карбомата аммония из СО2, NH3 и Н2О, содержащихся в свежем газе. Поэтому снижение температуры на всасе четвертой ступени не допускается ниже 43 °С, так как отложение солей на роторе и корпусе компрессора могут привести к недопустимой вибрации и разрушению компрессора. Минимальная температура на всасе по ступеням компрессора сигнализируется в ЦПУ.
4.3.2. Синтез аммиака и аммиачное охлаждение.
Смесь свежего и циркуляционного газов после компрессора 103-J с температурой не более 40 °С, давлением не более 32,96 МПа (336 кгс/см2) и объемной долей аммиака до 5 % направляется в аммиачный холодильник 117-С для охлаждения до температуры 0 4 °С.
Сконденсировавшийся в газе аммиак отделяется в сепараторе 106-F. Жидкий аммиак, отделившийся в сепараторе 106-F, через регулятор LIC-34 выводится в сборник 107-F. Для улучшения сепарации аммиака внутри сепаратора 106-F смонтирован циклон, состоящий из пакета труб. Накапливающийся в циклоне жидкий аммиак через дренажный вентиль перепускается в первичный сепаратор 126-F.
Синтез-газ с объемной долей аммиака не более 3,2 % из сепаратора 106-F направляется в теплообменник 179-С, где нагревается до температуры 20 ¸ 31 °С поступающим из воздушного холодильника 180-С газом после колонны синтеза 105-Д.
Затем газ подогревается до температуры не менее 130 °С в теплообменнике 121-С газом, поступающим из колонны синтеза. Подогретый до температуры не менее 130 °С газ поступает в колонну синтеза 105-Д.
По конструктивным особенностям теплообменники 179-С, 121-С, 122-С рассчитаны на определенный перепад давления не более 1,75 МПа (17,8 кгс/см2) между трубным пространством и межтрубным.
Реакция синтеза аммиака протекает на восстановленном промотированном железном катализаторе (V=37,53 м3) при температуре 390 520 °С и давлением не более 32,37 МПа (330 кгс/см2):
3Н2 + N2 ó 2NH3 + 19,18 кДж/моль (22 ккал/моль).
Объем загрузки катализатора на каждой полке:
1-я полка - 4,4 м3 фракции 1,5 3,0 мм и 0,3 м3 фракции 6 10 мм
2-я полка - 6,15 м3 фракции 1,5 3,0 мм и 0,28 м3 фракции 6 10 мм
3-я полка - 26,05 м3 фракции 1,5 3,0 мм и 0,35 м3 фракции 6 10 мм.
Катализатор крупной фракции 6 10 мм размещен в верхнем слое каждой полки.
Реконструированная насадка внутри колонны синтеза обеспечивает равномерную аксиально-радиальную подачу газа на каждую полку.
Регулирование температуры на каждой полке катализатора осуществляется путем изменения степени открытия заслонок с дистанционным управлением НС-7, 13, 14, 15, 16.
На первую полку катализатора поступает синтез-газ по трем потокам:
а) через заслонку НС-16, пройдя кольцевой зазор между силовым корпусом колонны синтеза, не допуская его перегрева более 200 °С, и внутренним корпусом, удерживающим катализаторные полки, затем межтрубное пространство теплообменника 122-С, где газ подогревается встречным потоком газа, выходящим из колонны синтеза;
б) через заслонки НС-13 и НС-14 (после них трубопроводы объединены внутри колонны) и трубное пространство, встроенного внутри 1-й и 2-й полок промежуточного теплообменника 122-С1 нагреваясь за счет охлаждения газа, прошедшего вторую полку и выходящего далее на третью полку;
в) через заслонку холодного байпаса НС-7.
В объем катализатора первой полки смесь этих газов поступает с температурой 390¸ 417 °С. Равномерность температуры газовой смеси достигается за счет перемешивания встречных потоков газов из окон 122-С и отверстий кольца холодного байпаса НС-7 и тангенциальной подачи газа из смесителя промежуточного теплообменника 122-С1.
Вследствие экзотермичности реакции синтеза аммиака температура газа на выходе из первой полки повышается до не более 520 °.
Регулирование температуры входа газа на первую полку осуществляется в основном открытием НС-16, НС-17.
После выхода из первой полки газ поступает в межстенное пространство между вторым экраном 122-С1 и вертикальной стенкой, удерживающей катализатор, где охлаждается потоком свежего газа идущем через заслонку НС-15 и с температурой не более 460 °С (TI-6-34, TR-14-8) поступает на вторую полку. Температура газа не более 510 °С на выходе из второй полки контролируется TI-6-35,36, TR-14-9,10.
Пройдя аксиально-радиально второй слой катализатора, газ направляется в межстенное пространство между первым экраном 122-С1 и сеткой, удерживающей катализатор, и поступает в верхнюю часть межтрубного пространства промежуточного теплообменника 122-С1, где он охлаждается до температуры не более 400 °С (TI-6-28, TR-14-2), нагревая газ идущий по трубному пространству теплообменника 122-С1, подаваемому через заслонки НС-13 и НС-14.
Охлажденный газ далее поступает на катализатор третьей полки с направлением во внутрь к перфорированной центральной трубе (температура выхода не более 490 °С) и вверх в трубное пространство теплообменника 122-С, где отдает тепло газу, идущему в колонну через НС-16, охлаждаясь при этом до температуры не более 360 °С.
Газ после колонны синтеза с объемной долей NH3 не более 18,3 % поступает в трубное пространство подогревателя питательной воды котлов 123-С, охлаждаясь в нем до температуры не более 162 °С.
После подогревателя питательной воды котлов 123-С газ поступает в теплообменник 121-С, где охлаждается до температуры не более 57 °С за счет нагревания газа, идущего на колонну.
Далее газ охлаждается до температуры не более 45 °С в воздушном холодильнике 180-С и поступает в межтрубное пространство теплообменника 179-С, где охлаждается до температуры 16 23 °С, нагревая газ, идущий в колонну синтеза после сепаратора вторичной конденсации 106-F.
При температуре не более 23 °С и давлением не более 30,9 МПа (315 кгс/см2) в первичном сепараторе 126-F выделяется до 60 %образовавшегося в колонне синтеза аммиака. Отделившийся аммиак регулятором уровня LIC-36 отводится в сборник жидкого аммиака 107-F.
Таким образом, замыкается цикл циркуляции газа в системе синтеза.
После первичного сепаратора 126-F часть циркуляционного газа постоянно выводится из систем в количестве, обеспечивающем объемную долю инертов (метана, аргона) в газе на входе в колонну синтеза не более 13,6 %.
Продувочный газ поступает в аммиачный холодильник 125-С, охлаждается в нем до температуры не менее минус 23 °С, затем проходит сепаратор 108-F, освобождается в нем от жидкого аммиака, который регулятором уровня LIC-29 выводится в сборник жидкого аммиака 107-F.
Жидкий аммиак из сепаратора 126-F, 106-F и 108-F поступает в сборник 107-F. При дросселировании жидкого аммиака с 30,9 МПа (315 кгс/см2) до не более 1,55 МПа (15,8 кгс/см2) в сборнике 107-F происходит выделение растворенных в аммиаке азота, водорода, метана и аргона. Выделившиеся “танковые” газы из сборника 107-F направляются в аммиачный холодильник 126-С, где охлаждаются до температуры не менее минус 23 °С. Сконденсировавшийся аммиак стекает в сборник 175-F, откуда через регулятор уровня LIC-42 выводится в расширительный сосуд 110-F. Освободившиеся от аммиака “танковые” газы через регулятор давления PIC-27 сбрасываются в коллектор топливного газа.
Жидкий аммиак из сборника 107-F и сборника 175-F через регуляторы уровня выдается в расширительный сосуд 110-F, в котором поддерживается давление не более 0,59 МПа (6,0 кгс/см2) и температура не более 13 °С.
Часть жидкого аммиака из расширителя 110-F подается на всас насосов 117-J/JA для впрыска в синтез-газ перед межступенчатым холодильником компрессора синтез-газа 116-С и холодильником 115-С.
Большая часть жидкого аммиака из расширительного сосуда 110-F регулятором уровня в нем LICA-43 отводится в расширительный сосуд 111-F, в котором поддерживается давление не более 0,18 МПа (1,8 кгс/см2) и температура не более минус 11 °С. Другая часть аммиака из расширителя 110-F используется для охлаждения газов в аммиачных холодильниках 129-С - межступенчатый холодильник компрессора синтез-газа 103-J и холодильника “танковых” газов 181-С, для заполнения ресивера жидкого аммиака 109-F.
Жидкий аммиак в холодильник 129-С подается через дроссельную шайбу RO-10, а в холодильник 181-С через RO-14.
Давление паров аммиака в межтрубном пространстве холодильника 129-С поддерживается регулятором давления PIC-10, сбрасывающим газообразный аммиак в расширитель 111-F. В линию газообразного аммиака после PIC-10 врезана также линия газообразного аммиака из холодильника 181-С.
Часть жидкого аммиака из расширительного сосуда 111-F регулятором уровня в нем LICA-45 отводится в расширительный сосуд 112-F, где давление аммиака снижается до не более 0,005 МПа (0,05 кгс/см2), а температура до минус 33 °С.
Другая часть жидкого аммиака из расширительного сосуда 111-F используется как хладоагент в холодильнике смеси свежего и циркуляционного газа 117-С (для вторичной конденсации аммиака), в холодильнике продувочных газов 125-С и холодильнике “танковых” газов 126-С.
В холодильник 125-С жидкий аммиак подается через дроссельную шайбу RO-12, а в холодильник 126-С через RO-13, где испаряется при температуре не более минус 33 °С. Газообразный аммиак из холодильника 125-С и 126-С направляется в расширительный сосуд 112-F.
Аммиачный холодильник вторичной конденсации 117-С работает на принципе термосифонной циркуляции жидкого аммиака и с температурой не более минус 11 °С возвращает его в сосуд 111-F.
Из расширительного сосуда 112-F жидкий аммиак с температурой не более минус 32 °С через клапан регулятора уровня в нем LICA-47 насосом 109-J/JA откачивается в изотермическое хранилище 1001-F. Расход продукционного аммиака измеряется расходомером FRS-46, а температура регистрирующим прибором TRA-201, сигнализирующим увеличение температуры- минус 32 °С, а при минус 30 °С дающим блокировочный сигнал на закрытие отсекателя EmV-351.
Расширительные сосуды 112-F, 111-F, 110-F подсоединены на всас 1, 2 и 3-й ступени аммиачного компрессора 105-J соответственно.
Компрессор 105-J двухкорпусный, трехступенчатый с приводом от паровой турбины 105-JT. Давление на всасе 1-ой ступени компрессора (в расширителе 112-F) поддерживается регулятором PRCA-49 изменением частоты вращения турбины 105-JT.
На всас 1-ой ступени поступает также аммиак, испарившийся в хранилище 1001-F. Сжатый в 1-ой ступени до не более 0,18 МПа (1,8 кгс/см2) газообразный аммиак вместе с газообразным аммиаком из расширителя 111-F поступает на всас 2-ой ступени компрессора.
После 2-ой ступени с давлением не более 0,66 МПа (6,75 кгс/см2) и температурой не более 80 °С аммиак направляется в межступенчатый воздушный холодильник 128-С, где охлаждается до температуры не более 50 °С.
Охлажденный аммиак смешивается с аммиаком из расширителя 110-F и с температурой 30-37 °С и давлением не более 0,59 МПа (6 кгс/см2) поступает на всас 3-ей ступени корпуса высокого давления.
Здесь он сжимается до давления не более 2,35 МПа (24 кгс/см2) и с температурой не более 171 °С поступает в воздушный холодильник 127-С.
В холодильнике 127-С при температуре не более 54 °С аммиак конденсируется и поступает в ресивер 109-F. “Танковые” газы из ресивера 109-F проходят аммиачный холодильник 181-С.
Выделившийся при этом аммиак стекает в сборник 176-F, а газ через клапан регулятора давления PIC-33 сбрасывается в систему топливного газа.
Продувочные и “танковые” газы из системы синтеза и охлаждения аммиака сжигаются в смеси с топливным газом в горелках печи первичного риформинга. Смешение газов производится после подогрева топливного газа в конвекционной камере до не более 150 °С, так как температура смеси не должна быть менее 40 °С, во избежание образования карбонатов аммония.
Объемная доля продувочных и “танковых” газов в смеси не более 15 %. Расход этих газов измеряется регистратором расхода FR-15. Давление в коллекторе продувочных и “танковых” газов поддерживается регулятором давления PIC-44 сбросом избытка газа на факельную установку 102-U.
4.4. Расчеты химико-технологических процессов
Исходные данные [13]:
· производительность агрегата 1360 т/сут;
· рабочее давление 323 атм;
· средняя температура контактирования 500 °С;
· температура вторичной конденсации –23 °С;
· температура первичной конденсации 49 °С;
· состав свежей газовой смеси азот 20,62 об.%;
водород 62,88 об.%
аргон 3,91 об.%
метан 9,69 об.%;
аммиак 2,90 об.%
· концентрация аммиака на выходе 18,87 об.%;
· давление первичной конденсации 230 атм;
· давление вторичной конденсации 223 атм
4.4.1. Расчеты материальных балансов
Рассчитаем равновесное содержание аммиака при рабочем давлении и различных температурах. Расчет псевдоконстанты равновесия ведем по уравнению Ларсона-Доджа (3.2). Равновесное содержание аммиака определим по уравнению (3.3).
Для расчетного давления коэффициенты b = 1,256×10–4, I = –2,206.
Примем температуру 400 °С. Тогда
Кр = 0,01716
Равновесное содержание аммиака без учета инертных примесей.
д.е.
Содержание инертов, приходящихся на 2 моль азото-водородной смеси, составляет 0,254 моль. Тогда
д.е.
Для других температур расчет ведем аналогично. Данные расчета представлены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Равновесной содержание аммиака
Температура, °С | Kp | Zp, об.% | np, об.% |
0,0172 | 42,45 | 25,25 | |
0,0089 | 31,38 | 18,67 | |
0,0050 | 22,49 | 13,38 | |
0,0030 | 15,87 | 9,44 | |
0,0019 | 11,19 | 6,66 |
Таблица 4.2
Значения коэффициентов ряда теплоемкости и энтальпий образования
Компонент | a | b×103 | c×10–5 | c×106 | DН, кДж/моль |
СН4 | 14,32 | 74,66 | – | – 14,43 | – 74,85 |
N2 | 27,88 | 4,27 | – | – | |
Н2 | 27,28 | 3,26 | 0,5 | – | |
NH3 | 29,8 | 25,48 | – 1,67 | – | –49,19 |
Для расчета теплоемкостей используем уравнение
Расчет 1-ой полки
Температура на входе в 1-ый слой катализатора составляет 410 °С.
Предварительно принимаем концентрацию аммиака на выходе со слоя катализатора 16 об.%.
Расчет ведем на 100 3 исходной АВС по уравнению
1.5H2 + 0.5N2 = NH3
Конечную концентрацию аммиака после первой полки можно выразить как
,
где N0 – концентрация аммиака на входе;
V0 – объем газа на входе;
DV – объем образующегося аммиака;
V1 – объем газа на выходе.
Объем газа на выходе можно представить с учетом стехиометрии реакции синтеза аммиака
V1 = V0 – DV
Подставляя это выражение в уравнение для расчета концентрации аммиака на выходе и преобразуя его, имеем
м3.
Тогда объем газа после 1-ой полки составит
V1 = 100–11,29 = 88,71 м3.
Объем аммиака после 1-ой полки составит
2,9+11,29 = 14,19 м3.
Объем водорода после 1-ой полки составит
52,88–1,5×11,29 = 45,94 м3,
что составит
45,94/88,71 = 0,518 д.е.
Объем азота после 1-ой полки составит
20,62–0,5×11,29 = 14,97 м3,
что составит
14,97/88,71 = 0,169 д.е.
Тепловой баланс катализаторной полки имеет вид
Q0 + Qxp = Q1,
где Q0 – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;
Qхр – тепло химической реакции;
Q1 – физическое тепло, уносимое газовой смесью;
Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в слой при температуре 410 °С по данным таблицы 4.2:
метан 3,28 ,
азот 1,37 ,
водород 1,32 ,
аммиак 2,09 .
Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит
кДж.
Предварительно принимаем температуру на выходе из слоя 500 °С. Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя
метан 3,68 ,
азот 1,39 ,
водород 1,33 ,
аммиак 2,20 .
Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит
.
Тепло химической реакции
кДж.
Рассчитаем конечную температуру
°С.
Наносим полученные данные на диаграмму «Концентрация аммиака – температура» (рис. 4.1).
По диаграмме принимаем конечную концентрацию аммиака 12 об.% и соответственно температуру 470 °С.
Пересчитаем материальный и тепловой балансы полки.
Количество образовавшегося аммиака
м3.
Тогда объем газа после полки составит
V1 = 100–8,13 = 91,88 м3.
Объем аммиака после полки составит
2,9+8,13 = 11,03 м3.
Объем водорода после полки составит
52,88–1,5×8,13 = 50,69 м3,
Объем азота после 1-ой полки составит
20,62–0,5×8,13 = 16,56 м3,
Тепловой баланс катализаторной полки
Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя при 470 °С.
метан 3,55 ,
азот 1,39 ,
Диаграмма концентрация аммиака – температура
Рис. 4.1
водород 1,33 ,
аммиак 2,16 .
Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит
.
Тепло химической реакции
кДж.
Рассчитаем конечную температуру
°С.
Наносим полученные данные на диаграмму (сплошная линия)
Расчет 2-ой полки
Температура на входе в 2-ой слой катализатора составляет 460 °С.
Предварительно принимаем концентрацию аммиака на выходе из слоя катализатора 16 об.%.
Расчет ведем на 91,88 3 исходной АВС, поступающей с 1-ой полки.
Количество аммиака, образовавшегося на полке
м3.
Тогда объем газа после полки составит
V1 = 91,88–3,17 = 88,71 м3.
Объем аммиака после полки составит
91,88×0,12+3,17 = 14,19 м3.
Объем водорода после полки составит
91,88×0,552–1,5×3,17 = 45,96 м3,
Объем азота после полки составит
91,88×0,180–0,5×3,17 = 14,95 м3,
Тепловой баланс катализаторной полки
Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в слой при температуре 460 °С по данным таблицы 4.2:
Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 346 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!