CC BY
76СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АГРЕГАТА СИНТЕЗА АММИАКА
Сухов Д.А.
магистрант
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
Мельников П.А.
к.т.н., директор института химии и энергетики Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
A METHOD FOR INCREASING THE PRODUCTIVITY OF AN AMMONIA SYNTHESIS UNIT
Sukhov D.,
Master's Degree student Togliatti State University, Togliatti Melnikov P.
Director of the Institute of Chemistry and Energy Togliatti State University, Togliatti
АННОТАЦИЯ
Увеличение производительности крупнотоннажных промышленных установок при минимальных капитальных вложениях является эффективным способом оптимизации технологии и сокращения издержек производства. В работе предлагается способ оптимизации технологии синтеза аммиака ПАО «Куйбыше-вАзот», позволяющий увеличить производительность с 1800 до 2100 тонн в сутки. Данный эффект достигается за счёт внедрения дополнительной колоны синтеза, частичной замены катализатора на более эффективный и замена стандартного аппарата воздушного охлаждения на аппарат испарительного типа по причине возросшей нагрузки на оборудование.
ABSTRACT
Increasing the productivity of large-scale industrial plants with minimal capital investment is an effective way to optimize technology and reduce production costs. A method for optimizing the ammonia synthesis technology of PJSC KuibyshevAzot is proposed, which allows increasing the productivity from 1800 to 2100 tons per day. This effect is achieved due to the introduction of an additional synthesis column, partial replacement of the catalyst with a more efficient one and replacement of the standard air-cooled apparatus with an evaporative-type apparatus due to the increased load on the equipment.
Ключевые слова: аммиак, синтез, катализатор, производительность.
Keywords: ammonia, synthesis, catalyst, productivity.
По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест в мире среди синтезируемых химических соединений. Аммиак имеет большое практическое значение. Он является сырьем для производства множества удобрений, сырьем для получения азотной кислоты, полиамидных полимеров, аммиак применяется в медицине, используется в технике как хладоагент. Промышленный способ производства аммиака из азотоводородной смеси не претерпевает принципиальных изменений и поэтому изыскание резервов увеличения производительности действующих установок является актуальной прикладной задачей с точки зрения химической технологии.
Наряду с высокой промышленной значимостью каталитический синтез аммиака способствует развитию фундаментального понимания катализа в целом и, следовательно, значительно увеличивают научное и культурное значение. По-прежнему наилучшим катализатором синтеза аммиака является железный катализатор, для которого хорошо исследован механизм действия, внутренняя структура и строение.
Цель работы - оптимизировать технологию процесса получения аммиака для увеличения удельной производительности агрегата АМ-70
Предлагаемое в исследовании технологическое предложение описывает необходимые модификации, которые позволят увеличить мощность существующего агрегата аммиака АМ-70 (1800т/сут) до (2100-2300т/сут) предприятия ПАО «КуйбышевАзот».
Оптимизация заключается в следующем:
1. Внедрения нового катализатора AmoMax-Casale, разработанного фирмой CASALE совместно с Clariant
2. Строительство дополнительной колонны синтеза
3. Внедрение аппарата воздушного охлаждения (далее АВО) испарительного типа для увеличения степени конденсации аммиака из прореагировавшей азотоводородной смеси.
Далее рассмотрим этапы модернизации подробно.
Свежий газ смешивается с циркуляционным газом, поступающим с нагнетания циркуляционной ступени, и направляется в рекуперационный тепло-
обменник, где подогревается перед подачей в колонны синтеза аммиака. На основании полученных рабочих данных и проведенных расчетов, распределение газа между колоннами оценивается как 70% в колонну 601 и 30% в колонну 601-А. В Варианте после реконструкции, данное распределение газа между колоннами синтеза сохранено. Такое распределение также примерно пропорционально объему катализатора, загруженного в каждую из колонн. В существующей колонне синтеза 601 необходимо провести замену внутренних устройств, чтобы сделать ее механически пригодной для работы при повышенной мощности агрегата. Кроме того, на третью катализаторную полку будет загружен новый
высокоэффективный катализатор AmoMax-Casale, разработанный фирмой CASALE совместно с Qariant, для повышения степени конверсии синтеза аммиака. Каких-либо конструкционных модификаций колонны поз. 601-А не предусмотрено [1, 2].
Однако, кроме замены катализатора для обеспечения высокой производительности в 2300 т/сут, необходима установка новой дополнительной колонны синтеза позиции 1601 после колонн 601 и 601-А. В новую колонну будет загружено 38 м3 катализатора AmoMax-Casale. Корпус высокого давления новой колонны поз. 1601 может омываться холодным синтез-газом.
Рисунок 1 - конфигурация с новой колонной синтеза аммиака
С новой колонной поз. 1601 концентрацию аммиака на выходе можно увеличить с 18,5% до 20,65%, что позволит минимизировать затраты энергии цикла синтеза и секции охлаждения.
После охлаждения за счет подогрева КПВ и газа, поступающего на синтез, поток после синтеза охлаждается в воздушном холодильнике позиции 604, теплообменной поверхности которого будет не хватать после повышения нагрузки, в связи с чем данный холодильник будет заменен на новый аппарат испарительного типа, который будет иметь более высокую поверхность и более низкое сопротивление по стороне технологического газа, с тем чтобы ограничить повышение перепада давления в контуре синтеза.
Новый катализатор Amomax-Casale, разработанный совместно CASALE и Qariant, который обеспечивает на 40% более высокую активность по
сравнению со стандартными железными катализаторами (как магнетитовыми, так и на основе вюстита) [3].
Усовершенствованная рецептура этого катализатора обеспечивает превосходные рабочие характеристики по сравнению с другими катализаторами, предлагаемыми конкурентами [3]. Основным компонентом AmoMax является оксид железа в форме вюстита. в сочетании с индивидуально подбираемыми активаторами, оптимизирующими работу системы, AmoMax превосходит обычно используемые катализаторы по площади поверхности и количеству активных центров. Активность катализатора оказалась на 40% больше, чем у катализаторов магнетитовых. Кроме того, AmoMax 10 продемонстрировал эксплуатационную пригодность в условиях пониженных температур и давлений [2,
3].
Рисунок 2 - Структура нового катализатора
Этот катализатор будет загружен в новую до- Предварительные объемы катализатора после
полнительную колонну синтеза 1601 и на 3-й полку реконструкции до мощности 2300 т/сут представ-существующей колонны синтеза поз. 601 лены в таблице 1.
Таблица 1
Позиция колонны синтеза 1 полка катализатора 2 полка катализатора 3 полка катализатора
601 5,0 м3 7,6 м3 30,5 м3
Магнетит/вюстит Магнетит/вюстит AmoMax-Casale
601А Существующий Существующий
1601 38,0 м3 AmoMax-Casale
Новая дополнительная колонна синтеза 1601 CASALE будет установлена в контуре синтеза с целью увеличения степени конверсии за проход и, как следствие, снижения рабочего давления и циркуляции в контуре.
Предлагаемая конструкция дополнительной колонны синтеза аммиака основана на запатентованной «аксиально-радиальной» конструкции
CASALE с открытым верхом катализаторных полок. При аксиально-радиальном распределении газа большая его часть проходит через катализатор-ную полку в радиальном направлении. Оставшаяся часть проходит через верхний слой катализатора в аксиальном направлении, тем самым устраняя необходимость верхней крышки на катализаторных полках, как показано на рисунке 3 [2, 4].
Рисунок 3 - аксиально-радиальный поток газа.
В обычных радиальных колоннах катализатор загружается между двумя концентрическими стенками, перфорированными так, чтобы обеспечить вход и выход газа. Обычно верхнее и нижнее кольцевые пространства полки закрыты герметичными крышками. В идеальной ситуации такая конструкция должна обеспечивать равномерность скорости потока газа во всех сечениях цилиндрического слоя, позволяя, таким образом, эффективно использовать объем катализатора. Однако на практике при
эксплуатации слой катализатора неизбежно имеет некоторую усадку, в результате чего образуется пустое пространство под верхней крышкой полки. Как следствие, чтобы избежать байпасирования газа, верхнюю часть стенки полки оставляют непер-форированной, из-за чего катализатор, содержащийся в данной части слоя, выполняет роль уплотняющего затворного слоя и фактически не работает [2, 4].
Рисунок 4 - сравнение радиального и аксиально-радиального потока газа.
Инженеры фирмы CASALE решили удалить верхнюю крышку и позволить какой-то части газа входить в полку в аксиальном направлении; количество этого газа регулируется специально подобранной конфигурацией отверстий перфорации так, что «затворный» катализатор работает при таких же условиях, как и катализатор в радиальной части полки, т.е. с тем же временем пребывания газа. Для достижения равномерного распределения потока по полке, необходимо наличие определенного гидравлического сопротивления ее стенок. Конструкция фирмы CASALE обеспечивает перепад давления как на входе, так и на выходе из ката-лизаторной полки, обеспечивая, таким образом, контроль распределения газового потока самой конструкцией и отсутствие влияния возможной неравномерности в плотности загрузки катализатора
[3].
По сравнению с традиционной радиальной конструкцией аксиально-радиальная конструкция CASALE имеет следующие преимущества:
• Эффективно используется весь объем катали-заторных полок, включая верхний слой. В чисто радиальной конструкции верхняя часть катализатор-ной полки герметично закрыта, что приводит к неэффективному использованию верхнего слоя катализатора;
• Более простая механическая конструкция, не требующая герметично закрытых сверху катализа-торных полок [3].
Такая конструкция позволяет повысить надежность колонны и срок службы внутренних устройств [4].
Основные особенности:
- Монолитная конструкция
- Легкая сварка между панелями и к картриджу: отсутствие сварки между мелкими деталями, отсутствие сварки между частями с очень разной толщиной, отсутствие сварки между разнородными материалами.
Выводы и предложения.
Таким образом, за счёт предлагаемого способа оптимизации установки получения аммиака на ПАО «КуйбышевАзот», а именно, по средством внедрения нового катализатора, дополнительной колонны синтеза и АВО испарительного типа можно достигнуть увеличения производительности установки синтеза аммиака с 1800 т/сут до 2100 т/сут.
Литература
1. ПОСТОЯННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ ТР-11 производства аммиака АМ-70 цеха №11
2. Общая химическая технология. Основные концепции проектирования ХТС [Электронный ресурс] : учебник / И.М. Кузнецова [и др.]. - Электрон. дан. - СПб.: Лань, 2014. - 384 с. - Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/45973.
3. Сибаров, Д.А. Катализ, каталитические процессы и реакторы [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Д.А. Сибаров, Д.А. Смирнова. - Электрон. дан. - СПб.: Лань, 2016. - 200 с. - Режим доступа: https ://e.lanbook. com/book/87592.
4. Уильямс, г., и В. Паттабатула " "сто лет производства аммиака-резюме значительного вклада в питание Мира", 58-й ежегодный симпозиум по безопасности на аммиачных заводах и связанных с ними объектах, AIChE (Aug. 25-29, 2013).
