Синтез аммиака

      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.