Технология процесса.

В качестве основного реакционного аппарата синтеза аммиака используется многополочная колонна (рис. 1). Колонна представляет собой цилиндр высотой около 30 м и диаметром примерно 2,5 м, выполненный из специальной стали, способной выдерживать высокие давления, температуры и агрессивное воздействие азота, водорода и аммиака. Холодный газ подается в нижнюю часть колонны и направляется вверх между корпусом колонны (15) и корпусом катализаторной коробки (3). В верхней части реактора холодный газ попадает в межтрубное пространство теплообменника (6), в котором он нагревается до 400С за счет теплоты выходящего из реактора по трубам теплообменника газа синтеза. Подогретая азотно-водородная смесь проходит последовательно четыре слоя катализатора (8, 10, 12 и 14) и попадает в центральную трубу (2), по которой направляется к теплообменнику (6). При этом газ охлаждается примерно до 330С.

В связи с тем, что реакция синтеза аммиака экзотермична газ на катализаторных полках сильно нагревается. При этом температура значительно отклоняется от оптимальной. Для регулирования температурного режима предусмотрена подача байпасного потока холодной азото-водородной смеси через патрубки (7, 9, 11 и 13) в каждый слой катализатора.

На рисунке 2 приведена сокращенная технологическая схема процесса. Азотно-водородная смесь поступает в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции реакционная смесь, выходящая из колонны синтеза, охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них (2) газ охлаждается водой. В теплообменнике (3) нагревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике (4). В охлажденном газе частично конденсируется аммиак, и его отделяют в сепараторе (5). Жидкий аммиак собирается в сборнике (6) как продукт. Охлаждения до температуры окружающей среды недостаточно для полного выделения аммиака и газ из сеператора направляется в конденсационную колонну (8). В ней газ охлаждается до минус 23С, так, что в нем остается 3 – 5 об. % аммиака. Охлаждение осуществляют за счет испарения жидкого аммиака в испарители (9). Испаритель может быть совмещен с конденсационной колонной. В ней же жидкий аммиак отделяют от газа и направляют в сборники.

Холодный газ затем подогревают в теплообменнике (3) и возвращают в колонну синтеза (1). Обеспечивают циркуляцию потока компрессором (7). Перед ним в циркуляционный реакционный газ добавляют свежую азото-водородную смесь.

При многократной рециклизации азото-водородной смеси происходит накопление инертов (Ar и CH₄) в рециркуляционном газе, поэтому на линии рециркулирующего газа предусмотрена отдувка (вывод) части газа из рецикла. Эти газы можно использовать в качестве топлива или восстановительных агентов для обезвреживания выбросов , содержащих оксиды азота.

Основные направления в развитии производства аммиака.

1. Кооперирование азотной промышленности с промышленностью основного органического синтеза на базе использования природного газа и газов нефтепереработки в качестве сырья;

2. Укрупнение всего производства в целом, и отдельных его подсистем;

3. Разработка процессов на основе более активных каталитических систем и снижения за счет этого давления в процессе;

4. Применение колонн синтеза с «кипящем слоем» катализатора;

5. Дальнейшее совершенствование систем рационального использования тепла.

Для последней проблемы можно использовать энерготехнологическую систему в производстве аммиака. Сжатие вначале природного газа на стадии конверсии до 4,5 МПа, а затем азото-водородной смеси до 30 – 32 МПа, ее циркуляция в подсистеме синтеза осуществляется помощью мощных турбокомпрессоров. Кроме того, в энергетической системе имеется еще ряд линий. Общее потребление энергии составляет 880 – 900 кВтч/т (NH₃). Ключевым является компрессор азото-водородной смеси с частотой вращения около 11000 об./мин, потребляющий более половины энергии всего производства аммиака. Применение для привода этого компрессора электродвигателя практически невозможно. Поэтому для этой цели используется энергоноситель – пар с высокими параметрами: давлением до 10 МПа и температурой 720 – 740 К. Для привода других компрессоров используют также паровые турбины на энергоносителях с меньшими параметрами. В производстве аммиака используется высокопотенциальные технологические потоки: конвертированный газ и дымовые газы после конверсии метана. Но их энергии и потенциала недостаточно для образования пара с высокими параметрами. Необходим дополнительный высокотемпературный источник энергии. Им является вспомогательный котел с огневым обогревом, установленный в газоходе после трубчатой печи. Пар, получаемый в котлах, утилизаторах, в линиях технологических потоков и в дополнительном котле, собирается в паросборнике и оттуда распределяется на паровые турбины-приводы компрессоров. Т.о. производство аммиака становится автономным по энергетическому пару, но для его выработки используется свои вторичные энергетические ресурсы, потребляя также дополнительные количества топлива – природный газ.