CC BY
9
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
шо-
УДК 662.721.42
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2023-3-4-47-50
Современные тенденции в производстве аммиака: теплообменный риформинг
Ибатов Я.А., Сосна М.Х., Кочергин Н.А., Алференко А.В.
ОАО «Красцветмет», 123317, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-1211-5283, E-mail: ya.ibatov@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9609-1055, Email: dr.michael.sosna@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0009-0004-8750-7062, E-mail: Nik.k@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0009-0002-5933-864X, E-mail: alferenkoa@mail.ru
Резюме: В работе проводится анализ современных технологий в области конверсии углеводородов, в частности теплообменного риформинга применительно к производству аммиака. Приводятся достоинства технологии теплообменного риформинга как в качестве решения при модернизации и реконструкции производства, так и в качестве решения при проектировании новых производств, а также причины применения этой технологии.
Ключевые слова: конверсия углеводородов, конверсия природного газа, эффективные технологии в производстве аммиака, теплообменный риформинг. Для цитирования: Ибатов Я.А., Сосна М.Х., Кочергин Н.А., Алференко А.В. Современные тенденции в производстве аммиака: теплообменный риформинг // НефтеГазоХи-мия. 2023. № 3-4. С. 47-50. D0I:10.24412/2310-8266-2023-3-4-47-50
CURRENT TRENDS IN AMMONIA PRODUCTION: HEAT-EXCHANGE REFORMING Ibatov Yaroslav A., Sosna Michael KH., Kochergin Nikolay A., Alferenko Aleksey V.
JSC KRASTSVETMET, 123317, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-1211-5283, E-mail: ya.ibatov@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9609-1055, Email: dr.michael.sosna@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0009-0004-8750-7062, E-mail: Nik.k@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0009-0002-5933-864X, E-mail: alferenkoa@mail.ru
Abstract: The paper analyzes modern technologies in the field of hydrocarbon conversion, in particular heat exchange reforming for ammonia production. The advantages of heat exchange reforming technology are given, both as a solution for modernization and reconstruction of production, and as a solution for designing new production facilities, as well as the reasons for the use of this technology.
Keywords: hydrocarbon conversion, natural gas conversion, efficient technologies in ammonia production, heat exchange reforming.
For citation: Ibatov Y.A., Sosna M.KH., Kochergin N.A., Alferenko A.V. CURRENT TRENDS IN AMMONIA PRODUCTION: HEAT-EXCHANGE REFORMING. Oil & Gas Chemistry. 2023, no. 3-4, pp. 47-50.
DOI:10.24412/2310-8266-2023-3-4-47-50
Введение
Повышение производительности и снижение энергозатрат при производстве аммиака из природного газа остается постоянной задачей на протяжении последних десятилетий.
В период с 90-х годов прошлого века в технологии производства аммиака достигнуты значительные успехи, позволившие увеличить производительность единичного агрегата с 1450 до 1750 т/сут при снижении энергопотребления с 10 до 9 Гкал/т.
В этот же период были разработаны и построены агрегаты аммиака по новым технологическим схемам, мощность которых была увеличена более чем в два раза.
В статье [1] приведены основные усовершенствования, позволившие достичь указанных выше результатов.
При решении этой задачи рассматривались все стадии процесса, которые имеют лимитирующие параметры, препятствующие дальнейшему увеличению производительности.
Среди этих стадий наиболее сложной и энергоемкой является стадия трубчатой паровой конверсии.
Проведенный в [2] эксергетический анализ показал, что наибольшие потери возникают при сжигании топлива для покрытия эндотермического эффекта процесса паровой конверсии.
Следовательно, поиски направления модернизации агрегата должны быть направлены на утилизацию высокотемпературного тепла после шахтной паровоздушной доконверсии.
Таким техническим решением аналогичному процессу «ТАНДЕМ» [3] стал теплообменный риформинг [4]. Схема реконструкции агрегатов аммиака с применением теплообмен-ного риформинга представлена на рис. 1.
Для действующих производств аммиака 1900 т/сут это предел, и для достижения производительности до 2300 т/сут потребуется установка нового теплообменного риформинга, рассчитанного на производительность в количестве до 15% сырьевого газа.
Применение теплообменного ри-форминга позволит:
- увеличить производительность по синтез-газу;
- сохранить существующую полезную тепловую нагрузку на печь первичного риформинга;
- избежать необходимости модернизации котлов высокого давления (ВД) первой ступени охлаждения конвертированного газа (КГ), а также потолочных горелок печи и турбин дымососа;
- создать гибкую технологическую схему в соотношении требуемой выработки пара ВД и утилизации высокопотенциального тепла;
Включение теплообменного риформинга в Российской Федерации выполнена на установках производства аммиака ОАО «АКРОН» в Великом Новгороде и Дорогобуже.
3-4 • 2023
НефтеГазоХимия 47
-о1
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
Описание технологической схемы
Поток парогазовой смеси (ПГС) подогревается дымовыми газами в новом змеевике в зоне блока теплоиспользу-ющей аппаратуры (БТА) (поток 3), и далее направляется в трубы, заполненные катализатором, нового тепло-обменного риформинга (аппарат 2). Парогазовая смесь на выходе из реакционных труб смешивается внутри аппарата с конвертированным газом после шахтного конвертера (поток 4). Полученная смесь идет по межтрубному пространству теплообменного ри-формера и обеспечивает протекание эндотермической реакции паровой конверсии.
Охлажденный конвертированный газ (КГ) на выходе из теплового риформера (ТР) проходит двухступенчатое охлаждение путем генерации пара высокого давления (аппараты 3, 4). После чего КГ направляется на стадию конверсии СО (поток 7).
Особенностью трубчатого конвертора в сравнении с традиционной трубчатой печью является то, что греющий поток находится под давлением, близким давлению технологического газа в реакционных трубках, что позволяет использовать реакционные трубы с малой толщиной стенки. На рис. 2 представлен конструктивный чертеж трубчатого конвертера.
Методика и результаты расчета
В ходе расчета определяли содержание метана в выходящем из реакционных труб газе и его температуру. Исходные данные приведены на рис. 3 и в табл. 1.
Последовательность расчета:
1. Определили мольный поток, выходящий из реакционных труб:
Г(5хои1) = F(8x) - F(8) = 17870 - 15654,8 = 2215,2, (1)
где F(i) - мольный расход /'-го производственного потока, кмоль/ч.
2. Определяли содержание метана на выходе из реакционных труб по его содержанию в потоках 8 и 8х:
Технологическая схема подключения теплообменного риформинга
z(CH4,5xout) =
[z(C Н4, 8x) • F( 8x) - z(CH4, 8) • F(8)]
F( 5xout) 0,4% • 17870 - 0,24% • 15654,8 2215,2
Схематическое изображение аппарата теплообменного риформинга
Трубная доска
= 1,53%,
(2)
Трубки с открытым концом
Поток из автотермического риформера —
Питательный газ и пар
. Комбинированный ^ I риформинговый газ
Трубы риформера, ^ заполненные катализатором
Рефакторная прокладка
Распределительное ■^"устройство
где z(j i) - мольный проценту'-го вещества в i-м потоке, %;
z(CH4,8x)F(8x)- z(CH4,8 )-F(8)
z(CH4,5xout) =
F( 5xout) 0,4% • 17870 - 0,24% * • 15654,8 2215,2
= 1,53%
(3)
3. Температуру на выходе реакционных труб определили в ПО Aspen Plus для обеспечения необходимого содержания метана.
В результате расчета получено значение температуры на выходе из реакционных труб, равное 940°С.
Этой температуре также соответствует тепловая нагрузка, необходимая для осуществления реакции, Q = 23,88 Гкал/ч.
Затем проводили расчет количества реакционных труб (п) для обеспечения поверхности теплопередачи и объема катализатора.
Исходные данные:
- Vкат.. = 6,84 м3 - объем катализатора;
- Dвт = 31 мм - внутренний диаметр труб;
- Lтруб = 7550 мм - длина труб.
Объем труб определяли по формуле
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
•о-
Схематическое расположение потоков
Таблица 3
Данные по газу на выходе из трубчатого реактора
Таблица 1
Параметры потоков
Поток 8 5х 8х
Название Поток из шахтного конвертера Поток свежей ПГС в ТР Поток из ТР
Т, °С 998 520 836
Общий расход, кмоль/ч 15654,8 1587 17870
Общий расход, кг/ч 254381 27938 282319
Содержание СН4, % 0,24 ? 0,4
Параметры потоков
,-, Состав влажного Вещество газа/0 Состав сухого газа, / Объемный расход, м3/ч
СО2 0,16812 0,770 59,328
Н2 1,07424 4,920 379,086
|\|2 0,71834 3,290 253,494
H2O 78,16594 0,0 27583,9
сн4 18,77511 85,990 6625,529
С2Н6 0,69869 3,20 246,56
С3Н8 0,28603 1,310 100,935
С4Н10 0,09607 0,440 33,902
С5Н12 0,01747 0,080 6,164
Итого 100 100 35288,9
Вещество Состав влажного газа, / Состав сухого газа, / Объемный расход, м3/ч
С02 4,99979 7,93017 2462,466
СО 9,29539 14,74342 4578,109
Н2 47,00612 74,55643 23,151,170
1\2 0,51470 0,81636 253,494
Аг 0,00000 0,00000 0,000
Н2О 36,95229 0,00000 18199,516
СН4 1,23172 1,95363 606,637
Итого 100 100 49251,393
Таблица 4
Газ из шахтного реактора
Вещество Объемный расход, Состав влажного газа, / м3/ч
СН4 0,19000 666,277
СО2 4,99000 17498,533
СО 7,89000 27668,021
Н2 34,89000 122349,461
1\2 15,43000 54108,690
Аг 0,23000 806,546
Н2О 36,38000 1275714,474
Итого 100 350672
1/ 1/ {п■DвT¿ ^ Укат. - Утруб - п 4 V У ^ (4)
где Vтруб - внутренний объем труб, п - количество труб.
6,84
Кат.
^п-0,0312 ^
= 1200.
(5)
труб
7,55
Таким образом, получили количество реакционных труб. Конструктивные параметры трубчатого реактора KRASS:
- длина трубы (общая) 7,55 м;
- диаметр трубы 0,031^0,000 м;
- диаметр чехла (внутренний) 0,15 м;
- число труб 1200;
- размер зерна катализатора 20,00-11,38-18,00. Газ на входе в трубчатый реактор
- соотношение пар/газ 3,58;
- объемный расход сухого газа 7705 м3/ч;
- давление 35 ати;
- температура 520 °С.
В табл. 2 указан состав газа на входе в трубчатый реактор. В табл. 3 указан состав газа после трубчатого реактора. В табл. 4 указан состав газа после автотермического (шахтного) реактора. В табл. 5 указано распределение температур по длине теплообменного риформера. Газ на выходе из трубчатого реактора:
- соотношение пар/газ 0,586;
- объемный расход сухого газа 31051,88 м3/ч;
- давление 34,7 ати;
- температура равна 934,38 °С;
dtl
кон.метана
3,3 °С;
Рис. 3
3-4 • 2023
НефтеГазоХимия 49
-о1
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
- dt = 0 0 кон.окиси углерода • •
- ^конметана - Разность межДУ температурой газа и температурой равновесия;
Таблица 5
Распределение температуры по длине трубы
dt,
кон.окиси углерода
- разность между температурой равновесия и температурой газа.
Газ из шахтного реактора:
- объемный расход влажного газа 350672,00 м3/ч;
- давление 32,0 ати;
- температура 998,00 °С;
- температура газа на выходе из тандема 830 °С.
Выводы
Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что использование технологии теплообменного рифор-минга благоприятно сказывается на удельном энергопотреблении производства, а также позволяет увеличить производительность по синтез-газу без модернизации печи риформинга, что в целом упрощает процедуру реконструкции или модернизации производств, использующих в качестве сырья для получения конечного продукта синтез-газ.
Длина, м Греющий газ, °С Чехол, °С Труба внешняя, °С Труба внутренняя, °С Конвертированный газ, °С
0,5 845 841 719 719 637
1 857 853 753 753 690
1,5 868 864 766 766 707
2 879 875 775 775 718
2,5 891 887 785 785 731
3 903 899 798 798 746
3,5 916 912 813 813 763
4 928 924 829 829 782
4,5 940 936 846 846 802
5 952 948 864 864 824
5,5 962 959 883 883 845
6 973 970 901 901 867
6,5 982 979 918 918 889
7 990 988 937 937 911
7,5 997 995 953 953 932
7,6 998 996 955 955 934
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сосна М.Х., Касым О.Н. Основные тенденции в развитии технологии производства аммиака, печатное издание // НефтеГазоХимия. 2017. № 4. С. 17-21.
2. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. М.: Химия, 1988. 280 с.
3. Сосна М.Х., Шовкопляс Н.Ю. Охлаждаемые газовые реакторы - опыт
десятилетий подтверждает качество // Газохимия. 2011. № 3-4. С. 38-40.
4. Дорогобуж. Реконструкция агрегата аммиака с увеличением производительности до 2100 т в сутки. URL: https://www.giap.ru/Uslugi-i-produkty/ Tehnologii/Ammiak/Kompleksnye-resheniya-po-rekonstrukcii-agregatov-ammiaka/Rekonstrukciya-agregata-ammiaka-s-uvelicheniem-proizvoditelnosti do-2100-ts/ (дата обращения 28.09.2023).
REFERENCES
1. Sosna M.KH., Kasym O.N. Main trends in the development of ammonia production technology. NefteGazoKhimiya, 2017, no. 4, pp. 17-21 (In Russian).
2. Leytes I.L., Sosna M.Kh., Semenov V.P. Teoriya ipraktika khimicheskoy energotekhnologii [Theory and practice of chemical energy technology]. Moscow, Khimiya Publ., 1988. 280 p.
3. Sosna M.KH., Shovkoplyas N.YU. Cooled gas reactors - experience of decades confirms quality. Gazokhimiya, 2011, no. 3-4, pp. 38-40 (In Russian).
4. PAO «Dorogobuzh». Rekonstruktsiya agregata ammiaka s uvelicheniyem proizvoditel'nosti do 2100 tonn vsutki (Dorogobuzh PJSC. Reconstruction of the ammonia unit with an increase in productivity to 2100 tons per day) Available at: https://www.giap.ru/Uslugi-i-produkty/Tehnologii/Ammiak/ Kompleksnye-resheniya-po-rekonstrukcii-agregatov-ammiaka/Rekonstrukciya-agregata-ammiaka-s-uvelicheniem-proizvoditelnosti-do-2100-ts/ (accessed 28 September 2023).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Сосна Михаил Хаймович, д.т.н., проф., главный специалист, ОАО «Красцвет-мет».
Кочергин Николай Александрович, к.т.н., главный технолог, ОАО «Красцвет-мет».
Ибатов Ярослав Алексеевич, инженер, ОАО «Красцветмет». Алференко Алексей Викторович, инженер, ОАО «Красцветмет».
Michael KH. Sosna, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Chief Specialist, JSC KRASTSVETMET. Nikolay A. Kochergin, Cand. Sci. (Tech.), Chief Technologist, JSC KRASTSVETMET. Yaroslav A. Ibatov, Engineer, JSC KRASTSVETMET. Aleksey V. Alferenko, Engineer, JSC KRASTSVETMET.
