Охрана окружающей среды в производстве аммиака

Технологическая схема производства аммиака

Определяющим параметром в производстве аммиака из азотоводородной смеси является давление синтеза. В зависимости от применяемого давления все системы производства синтетического аммиака делятся на:

системы низкого давления (10-15 МПа),

системы среднего давления (25-60 МПа),

системы высокого давления (60-100 МПа).

Методом математического моделирования с использованием в качестве критерия оптимизации экономических затрат на производство единицы продукции, было найдено, что экономически наиболее выгодным является проведение процесса при среднем давлении. На стадиях компрессии газа, синтеза аммиака и конденсации его из АВС капитальные и энергоматериальные затраты с повышением давления снижаются до определенного предела. Оптимальным давленим является давление 32 МПа. Дальнейшее повышение давления не приводит к существенному снижению затрат, но усложняет технологическую схему производства.

В системах среднего давления обеспечивается достаточно высокая скорость процесса, простота выделения аммиака из газовой смеси, возможность одновременного получения жидкого и газообразного продуктов. Вследствие этого в мировой и отечественной практике наиболее распространены установки среднего давления.

На рис. 6.6. приведена технологическая схема современного производства аммиака при среднем давлении производительностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами:

температура контактирования 450-550⁰С, давление 32 МПа, объемная скорость газовой смеси 15-25 тыс.ч^-1,съем аммиака с 1 м³ катализатора – 20-40 т/сут.

Рис.6.6. Технологическая схема производства аммиака:

1-колонна синтеза, 2 –водяной конденсатор, 3 –смеситель (инжектор) свежей АВС и циркуляционного газа, 4- конденсационная колонна, 5-газоотделитель, 6 –испаритель жидкого аммиака, 7-выносной теплообменник (котел-утилизатор),

8-турбоциркуляционный компрессор.

Смесь свежей АВС и циркуляционного газа под давлением подается из смесителя 3 в конденсационную колонну 4, где из циркуляционного газа конденсируется часть аммиака, откуда поступает в колонну синтеза 1. Выходящий из колонны газ, содержащий до 0,2 об.дол. аммиака направляется в водяной холодильник-конденсатор 2 и затем в газоотделитель 5, где из него отделяется жидкий аммиак. Оставшийся газ после компрессора 8 смешивается со свежей АВС и направляется сначала в конденсационную колонну 4, а затем в испаритель жидкого аммиака 6, где при охлаждении до –20⁰С также конденсируется большая часть аммиака. Затем циркуляционный газ, содержащий около 0,03 об.дол. аммиака, поступает в колонну синтеза 1. В испарителе 6, одновременно с охлаждением циркуляционного газа и конденсацией содержащегося в нем аммиака, происходит испарение жидкого аммиака с образованием товарного газообразного продукта.

Основным агрегатом установки синтеза аммиака служит колонна синтеза. Колонны синтеза изготовляют из специальных легированных сталей. При высоких температурах и давлении аммиак и особенно водород взаимодействуют со сталью, ухудшая ее механические свойства.

Для снижения температуры стенок холодная азотоводородная смесь, поступающая в колонну синтеза, проходит вдоль внутренней поверхности цилиндрического корпуса колонны. Применяют полочные и трубчатые колонны.

Рис.6.7 Схема четырехполочной колонны синтеза аммиака под средним давлением:

1-корпус колонны; 2-корпус катализаторной коробки; 3-аварийный люк; 4-трубчатый теблообменик; 5-патрубок воды байпасного газа; 6, 7, 8, 9-полки с катализатором; 10-центральная труба; 11-люк для разгрузки катализатора

На рис.6.7 показана четырехполочная колонна синтеза аммиака для системы среднего давления. Колонна представляет собой цилиндр высокой около 30 м и диаметром примерно 2,5 м, выполненный из специальной стали, способной выдержать высокие давления, температуру и агрессивное воздействие водорода, азота и аммиака. Холодный газ подается в нижнюю часть колонны и направляется вверх между корпусом колонны 1 и корпусом катализаторной коробки 2. В верхней части реактора

холодный газ попадает в межтрубное пространство теплообменника 4, в котором он нагревается до 400⁰С за счет теплоты конвертированного газа, покидающего колонну синтеза по трубам теплообменника 4. Подогретый газ последовательно проходит четыре слоя катализатор 6, 7, 8 и 9 и попадает в центральную трубу 10, по которой направляется к теплообменнику 4. При этом газ охлаждается примерно до 330⁰С.

В связи с тем что реакция синтеза экзотермична,на катализаторных полках газ сильно нагревается (особенно на первых, где превращается большееколичество исходных веществ). При этом температура значительно отклоняется от оптимальной. Для регулирования температурного режима катализа предусмотрена подача байпасного холодного синтез-газа (патрубок 5) в каждый слой катализатора (на схеме показан только в первый).

Конденсационная колонна – вертикальный цилиндрический аппарат внутренним диаметром 2 м высотой 18,89 м (рис 6.8) состоит из теплообменника и сепаратора, размещенного под теплообменником. Число теплообменных трубок 7808, диаметр 14 2 мм, высота 7,21 м поверхность теплообмена 2120 м² (по среднему диаметру) В межтрубном пространстве размещены перегородки. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству, а газ после сепарации аммиака – по трубкам.

Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство 4, в котором создается вращательное движение; при этом частицы жидкости отделяются от газового потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх, проходит отбойник 3, состоящий из слоя колец Рашига, и, проходя трубное пространство, отдает свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и СО₂.

Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружащую среду: 1)газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси: 2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения; 3) низкопотенциальную теплоту. Отходящие газы крупных агрегатов производства аммиака образуются в результате сжигания природного газа в огневом подогревателе сероочистки и в трубчатой печи паровой конверсии. Эти газы содержат в своем составе оксиды азота, содержание которых в значительной степени зависит от соотношения воздуха и природного газа, а также от объема добавляемых к природному газу танковых и продувочных газов, содержащих аммиак, в определенных условиях превращающийся в оксиды азота. Объем дымовых газов составляет около 375 тыс.м³/ч, в них содержится 0,01-0,05%

2 оксидов азота. Допустимая концентрация

оксидов азота в выбрасываемых газах на

3 4 сегодня составляет 0,05%.

1 200⁰С Для очистки отходящих газов аммиач-

ного производства используют метод

NH₃ каталитического восстановления при

умеренных температурах. В качестве

дымовые газы 5 восстановителя применяется аммиак, с

Рис.6.7. Схема очистки дымовых газов помощью которого происходит восстанов

азота: ление оксидов азота до элементного азота

1-дымовая труба; 2-перегородка; по следующим реакциям:

3-смеситель аммиака с дымовыми газами; 6NO+4NH₃®5N₂+6H₂O

4-каталитический реактор; 6NO₂+8NH₃®7N₂+12H₂O

5-блок дозирования аммиака

Восстановление проводят при избыточном содержании аммиака по сравнению со стехиометрическим для обеспечения высоких степеней превращения оксидов. Для процесса очистки используют алюмованадиевый и алюмомарганцевованадиевый катализатолры, срок службы которых около 5 лет. Необходимо достаточно точно регулировать температуру процесса (180-320⁰С), так как при низких температурах возможно образование и отложение нитрит-нитрата аммония, при высоких температурах будет происходить окисление аммиака до оксидов азота.

Схема очистки отходящих газов производства аммиака представлена на рис 6.9. Газы для очистки отбирают из определенной зоны дымовой трубы 1 при температуре около 200⁰С, для чего в ней установлена сплошная перегородка 2, и направляют в сместитель аммиака с дымовыми газами 3. Аммиак дозируется в газы из блока подготовки 5, состоящего из испарителя аммиака и аппарата для его очистки от масла и катализаторной пыли. Основным аппаратом в схеме является каталитический реактор, который должен обладать высокой пропускной способностью и низким гидравлическим сопротивлением. Наибольшее применение нашли радиальные реакторы.

Расход аммиака на очистку 1000м³ газа при содержании оксидов азота 0,1% составляет 0,85-0,9 кг. Степень восстановления оксидов азота достигает 98%.

Сточные воды образуются в качестве 0,65 м³/т аммиака и содержат, мг/л: бикарбоната натрия – 1000; щелочи – 200; фосфорного ангидрида – 2000; диоксида кремния – 4500. После нейтрализации указанные воды поступают в канализацию химически загрязненных сточных вод.

В результате воздушного охлаждения и замены поршневых компрессоров турбокомпрессорами значительно уменьшилось потребление воды на 1 т NH₃, что привело к существенному снижению количества сточных вод (~ в 50 раз).

Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать повышением ее потенциала; это достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми газами.

Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака является применение энерготехнологической схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания топлива.

Дата добавления: 2015-05-26