Установка синтеза аммиака

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Гродно Азот(72) Авторы Иванов Геннадий Борисович Сурус Леонид Иванович Леонов Олег Владимирович Тутов Владимир Леонидович Морозов Савелий Валерьевич Лакомкин Александр Андреевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Гродно Азот(57) Установка синтеза аммиака, включающая компрессор циркуляционного газа и азотоводородной смеси, подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнетания и всасывания циркуляционного газа, систему рекуперативного теплообмена, линию осушенной азото-водородной смеси, подключенную к компрессору и к линии нагнетания циркуляционного газа, линию вывода инертов, парокомпрессионную аммиачную холодильную установку, низкотемпературный холодильник и охладитель циркуляционного газа, подключенные к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке, сепаратор нагнетания, установленный после низкотемпературного холодильника на линии нагнетания циркуляционного газа, сепаратор всасывания, установленный после системы рекуперативного теплообмена на линии всасывания циркуляционного газа, отличающаяся тем,что охладитель циркуляционного газа установлен на линии всасывания циркуляционного газа после системы рекуперативного теплообмена перед сепаратором всасывания, а линия вывода инертов и линия осушенной азото-водородной смеси подключены последовательно к линии нагнетания циркуляционного газа внутри системы рекуперативного теплообмена. Полезная модель относится к установкам химической технологии и может применяться в химической промышленности и в производстве минеральных удобрений, например в производстве аммиака на стадии каталитического синтеза из водорода и азота. Известна установка синтеза аммиака, включающая компрессор циркуляционного газа,подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнетания и всасывания циркуляционного газа, линию влажной азото-водородной смеси, подключенную к линии нагнетания циркуляционного газа, холодильник циркуляционного газа, сепаратор всасывания,установленный после холодильника, осушитель циркуляционного газа, установленный перед колонной синтеза 1. Недостатками известной установки являются высокие удельные энергетические затраты и невысокая производительность, что снижает экономичность установки. Высокие удельные энергетические затраты обусловлены отсутствием утилизации тепла газа, выходящего из колонны синтеза, отводимого в окружающую среду охлаждающей водой. Низкая производительность установки обусловлена следующими причинами. Перед осушкой жидким аммиаком смешиваются сухой циркуляционный газ и свежая азото-водородная смесь, которая содержит пары воды. Такое смешение приводит к повышению содержания аммиака в газе после осушки, что снижает движущую силу процесса и, следовательно,производительность процесса синтеза аммиака. Использование охлаждающей воды в холодильнике не позволяет охладить циркуляционный газ до низкотемпературного уровня и выделить из него аммиак, особенно в летнее время. Это ограничивает производительность установки и повышает энергозатраты в компрессоре циркуляционного газа из-за высокого содержания аммиака в циркуляционном газе и необходимости затрат энергии на его компримирование. Известна установка синтеза аммиака, включающая компрессор циркуляционного газа и азото-водородной смеси, подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнетания и всасывания циркуляционного газа, систему рекуперативного теплообмена, линию осушенной азотоводородной смеси, подключенную к компрессору, линию вывода инертов, холодильник циркуляционного газа, сепаратор нагнетания, установленный после холодильника на линии нагнетания циркуляционного газа, сепаратор всасывания,установленный после системы рекуперативного теплообмена на линии всасывания циркуляционного газа 2. Недостатками известной установки являются высокие удельные энергетические затраты и невысокая производительность, что снижает экономичность установки. Это обусловлено, главным образом, следующим. В компрессоре имеет место процесс смешения осушенной свежей азото-водородной смеси с циркуляционным газом, содержащим остаточный аммиак (около 6,6 об./). При смешивании происходит снижение концентрации аммиака в выходящем из компрессора газе (4,8 об./), что ухудшает условия термодинамического равновесия для конденсации аммиака из газовой фазы при фиксированных давлении и температуре в холодильнике. Это снижает количество выделяемого аммиака из газа и, следовательно, снижает производительность установки и повышает удельные энергозатраты. Известна установка синтеза аммиака, включающая компрессор циркуляционного газа и азото-водородной смеси, подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнета 2 101142014.06.30 ния и всасывания циркуляционного газа, систему рекуперативного теплообмена, линию осушенной азото-водородной смеси, подключенную к компрессору и к линии нагнетания циркуляционного газа, линию вывода инертов, парокомпрессионную аммиачную холодильную установку, низкотемпературный холодильник циркуляционного газа, подключенный к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке, сепаратор нагнетания,установленный после низкотемпературного холодильника на линии нагнетания циркуляционного газа, сепаратор всасывания, установленный после системы рекуперативного теплообмена на линии всасывания циркуляционного газа 3. Недостатками известной установки являются повышенные энергозатраты и недостаточная ее производительность. Это обусловлено следующим. В низкотемпературный холодильник поступает смесь циркуляционного газа, содержащего остаточный аммиак, и азото-водородной смеси, не содержащей аммиака. При смешивании этих газов (до низкотемпературного холодильника) имеет место снижение концентрации аммиака в газе, что ухудшает условия термодинамического равновесия для конденсации аммиака из газовой фазы при фиксированных давлении и температуре в низкотемпературном холодильнике. Это снижает количество выделяемого аммиака из газа и, следовательно, производительность установки. Также при этом требуется затратить энергию в низкотемпературном холодильнике для бесполезного охлаждения азото-водородной смеси, что обуславливает необходимость испарения дополнительного количества жидкого аммиака в низкотемпературном холодильнике, увеличение нагрузки парокомпрессионной аммиачной холодильной установки и повышение энергозатрат. Прототипом полезной модели выбрана установка синтеза аммиака, включающая компрессор циркуляционного газа и азото-водородной смеси, подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнетания и всасывания циркуляционного газа, систему рекуперативного теплообмена, линию осушенной азото-водородной смеси, подключенную к компрессору и к линии нагнетания циркуляционного газа, линию вывода инертов,парокомпрессионную аммиачную холодильную установку, низкотемпературный холодильник и охладитель циркуляционного газа, подключенные к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке, сепаратор нагнетания, установленный после низкотемпературного холодильника на линии нагнетания циркуляционного газа, сепаратор всасывания, установленный после системы рекуперативного теплообмена на линии всасывания циркуляционного газа 4. Основным недостатком известной установки является недостаточная экономичность из-за высокого удельного энергопотребления и недостаточной производительности, что обусловлено следующим. После низкотемпературного холодильника циркуляционного газа перед охладителем имеет место процесс смешения осушенной азото-водородной смеси с циркуляционным газом, имеющим температуру около -10 С. При смешивании происходит снижение концентрации аммиака в газе (с 2,8 до 2,3 об./), что ухудшает условия термодинамического равновесия для конденсации аммиака из газовой фазы при фиксированных давлении и температуре в охладителе. Это снижает количество выделяемого аммиака из газа и, следовательно, снижает производительность установки и повышает удельные энергозатраты. При этом охладитель практически выключен из работы, так как конденсация аммиака в нем незначительна из-за снижения концентрации аммиака и из-за низкой температуры, поступающей в него газовой смеси. Это приводит к разгрузке аммиачного компрессора парокомпрессионной холодильной установки. При разгрузке аммиачный компрессор входит область помпажа, что недопустимо, т.к. вызывает разрушение его внутренних элементов. Поэтому в условиях снижения нагрузки на аммиачный компрессор парокомпрессионной холодильной аммиачной установки при эксплуатации осуществляют перепускание части газа из линии нагнетания аммиачного компрессора в линию всасывания аммиачного компрессора. Это позволяет стабилизировать нагрузку аммиачного компрессора и повысить его эксплуатационную надежность, но повышает удельные 3 101142014.06.30 энергозатраты установки синтеза аммиака из-за бесполезной потери энергии сжатия газообразного аммиака при частичном возврате газа в линию всасывания аммиачного компрессора. Также имеют место повышенные потери аммиака в составе потока вывода инертных газов (инертов), что снижает производительность установки. Это обусловлено высоким содержанием аммиака в циркуляционном газе в месте вывода инертов после сепаратора всасывания. Задача, на решение которой направлена полезная модель, - повышение экономичности установки за счет снижения энергопотребления и увеличения ее производительности. Поставленная задача решается в установке синтеза аммиака, включающей компрессор циркуляционного газа и азото-водородной смеси, подключенный к колонне синтеза посредством линий нагнетания и всасывания циркуляционного газа, систему рекуперативного теплообмена, линию осушенной азотоводородной смеси, подключенную к компрессору и к линии нагнетания циркуляционного газа, линию вывода инертов, парокомпрессионную аммиачную холодильную установку, низкотемпературный холодильник и охладитель циркуляционного газа, подключенные к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке, сепаратор нагнетания, установленный после низкотемпературного холодильника на линии нагнетания циркуляционного газа, сепаратор всасывания, установленный после системы рекуперативного теплообмена на линии всасывания циркуляционного газа,в которой, согласно полезной модели, охладитель циркуляционного газа установлен на линии всасывания циркуляционного газа после системы рекуперативного теплообмена перед сепаратором всасывания, а линия вывода инертов и линия осушенной азотоводородной смеси подключены последовательно к линии нагнетания циркуляционного газа внутри системы рекуперативного теплообмена. Существенность отличий полезной модели заключается в следующем. Охладитель циркуляционного газа установлен на линии всасывания циркуляционного газа после системы рекуперативного теплообмена перед сепаратором всасывания. Установка охладителя в линии всасывания обеспечивает два технологических следствия 1 увеличение выхода аммиака из сепаратора всасывания за счет более глубокого охлаждения циркуляционного газа, что повышает производительность установки, 2 - стабилизацию работы аммиачного компрессора, исключая перепуск части газа с нагнетания на всасывание, что снижает удельные энергозатраты. Таким образом, предлагаемое размещение охладителя выявляет имеющуюся функциональную связь нагрузка охладителя нагрузка аммиачного компрессора - эксплуатационная надежность аммиачного компрессора и позволяет решить поставленную задачу, что является новым, неочевидным и промышленно применимым. Линия вывода инертов подключена к линии нагнетания циркуляционного газа внутри системы рекуперативного теплообмена. Такое решение позволяет дополнительно выделить аммиак из циркуляционного газа в низкотемпературном режиме, так как сдувка инертов осуществляется из циркуляционного газа после низкотемпературного холодильника и сепаратора нагнетания, где концентрация аммиака в циркуляционном газе - 2,8 об./, а в прототипе содержание аммиака в сдувке из циркуляционного газа составляет 6,6 об./. Снижение содержания аммиака в сдувке имеет и экологический эффект за счет снижения окислов азота, образующихся при сжигании аммиака в составе сдувок. При этом подключение линии вывода инертов внутри системы рекуперативного теплообмена позволяет использовать низкотемпературный потенциал сдувок для охлаждения циркуляционного газа, что способствует снижению энергопотребления. Линия осушенной азото-водородной смеси подключена к линии нагнетания циркуляционного газа внутри системы рекуперативного теплообмена. Такое решение позволяет рационально использовать тепловой потенциал потоков за счет исключения смешивания потока теплой осушенной азото-водородной смеси с низкотемпературным циркуляцион 4 101142014.06.30 ным газом, что позволяет более полно использовать его низкотемпературный потенциал для охлаждения потока после колонны синтеза и снизить удельное энергопотребление. Линия вывода инертов и линия осушенной азото-водородной смеси последовательно подключены к линии нагнетания циркуляционного газа. Такое решение обеспечивает рациональное использование сырьевых ресурсов за счет снижения потерь водорода и увеличения вывода инертных газов из циркуляционного газа. Это способствует решению поставленной полезной моделью задачи. Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 показана схема установки, на фиг. 2 - схема варианта подключения охладителя. Установка синтеза аммиака включает компрессор 1 циркуляционного газа, подключенный к колонне синтеза 2, содержащей катализатор, посредством линии нагнетания 3 и линии всасывания 4 циркуляционного газа. Компрессор 1 подключен также к линии 5 влажной азото-водородной смеси и к линии 6 осушенной азото-водородной смеси. На линии нагнетания 3 установлены последовательно низкотемпературный холодильник 7, сепаратор нагнетания 8, система рекуперативного теплообмена 9. Линия 6 осушенной азотоводородной смеси из компрессора 1 подключена к линии нагнетания 3 внутри системы рекуперативного теплообмена 9. Линия 10 вывода инертов врезана в линию 3 внутри системы рекуперативного теплообмена 9 до места подключения линии 6 к линии 3. Низкотемпературный холодильник 7 выполнен в виде рекуперативного кожухотрубчатого испарителя и подключен межтрубным пространством к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке 11, содержащей аммиачный компрессор 12, и систему конденсации аммиака 13, и низкотемпературный холодильник 7. На линии 4 после колонны синтеза 2 последовательно установлены система рекуперативного теплообмена 9, охладитель 14 в виде рекуперативного испарителя и сепаратор всасывания 15, подключенный к линии 16 вывода жидкого аммиака. Охладитель 14 линией 17 жидкого аммиака и линией 18 газообразного аммиака подключен к парокомпрессионной аммиачной холодильной установке 11 или, как вариант, линией 17 подключен к линии 16. Линия 16 также подключена линией 19 к системе осушки 20 азото-водородной смеси, размещенной между ступенями компрессора 1. Установка синтеза аммиака работает следующим образом. Газ из колонны синтеза 2,обогащенный аммиаком в результате реакционного взаимодействия водорода и азота, поступает по линии 4 в систему рекуперативного теплообмена 9 и охлаждается, отдавая тепло циркуляционному газу, поступающему в колонну синтеза 2. При охлаждении происходит конденсация аммиака в соответствии с условиями парожидкостного равновесия, и полученная двухфазная смесь поступает в охладитель 14, в котором происходят дополнительное охлаждение смеси и дополнительный переход аммиака из паровой фазы в жидкую фазу. В сепараторе 15 происходят отделение жидкого аммиака от газа и вывод его по линии 16. Жидкий аммиак поступает в межтрубное пространство охладителя 14 по линии 17, где испаряется за счет тепла циркуляционного газа и направляется по линии 18 в парокомпрессионную установку 11 на сжатие и конденсацию. Незначительное количество жидкого аммиака из линии 16 поступает посредством линии 19 в систему осушки 20. Циркуляционный газ, освобожденный от основного количества аммиака, после сепаратора 15 поступает по линии 4 в компрессор 1, где сжимается и выходит из него по линии 3,проходит низкотемпературный холодильник 7, охлаждается до отрицательной температуры. При этом из циркуляционного газа выделяется аммиак путем конденсации, который отделяется в сепараторе 8 и выводится из установки. Охлажденный, освобожденный от аммиака и обогащенный инертами циркуляционный газ после сепаратора 8 проходит через систему рекуперативного теплообмена и нагревается за счет тепла отходящего газа из колонны синтеза. Внутри системы рекуперативного теплообмена часть циркуляционного газа по линии 10 выводится в виде сдувки, остальная часть смешивается с осушенной азото-водородной смесью, поступающей по линии 6, при этом содержание остаточного ам 5 101142014.06.30 миака в газе снижается и направляется в колонну синтеза 2, где происходит процесс каталитического синтеза аммиака из водорода и азота. Свежая азото-водородная смесь, содержащая пары воды, поступает по линии 5 в компрессор 1, проходит систему осушки 20,где освобождается от воды за счет абсорбции жидким аммиаком, поступающим по линии 19. Осушенная и сжатая азото-водородная смесь выходит из компрессора 1 и по линии 6 поступает на смешивание с циркуляционным газом. Работа низкотемпературного холодильника 7 обеспечивается парокомпрессионной холодильной установкой 11. Газообразный аммиак из низкотемпературного холодильника 7 и охладителя 14 поступает на всасывание аммиачного компрессора 12, сжимается, поступает в систему 13, где осуществляется его охлаждение и конденсация. Жидкий аммиак дросселируется (дроссель не показан), и низкотемпературная аммиачная парожидкостная смесь поступает в низкотемпературный холодильник 7 и охладитель 14, образуя контур циркуляции хладагента. При этом часть жидкого аммиака выводится из системы 13 в качестве продукционного аммиака. Использование полезной модели обеспечивает снижение удельного потребления природного газа на 0,08 тыс. м 3 на 1 тонну продукционного аммиака и увеличение выпуска продукции на 2,4 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6