Пути совершенствования схем синтеза аммиака. Использован е продувочных и танковых газов.

При разработке крупнотоннажных агрегатов синтеза аммиака

были приняты следующие технические решения:

1) двухступенчатая каталитическая конверсия природного га-за с использованием в качестве окислителя на первой стадии во-дяного пара, а на второй– смеси водяного пара с воздухом; 2) двухступенчатая каталитическая конверсия оксида углеро-да(II) на среднетемпературном и низкотемпературном катализаторах; 3) очистка конвертированного газа от СО2 водными раствора-ми моноэтаноламина; 4) тонкая очистка конвертированного газа от оксидов углеро-да путем их каталитического гидрирования; 5) компримирование синтез-газа до давления30–35 МПа и синтез аммиака на железных катализаторах.

На период разработки эта схема считалась наиболее совер-шенной, однако в ней заложен ряд энергоемких стадий, что суще-ственно удорожало себестоимость получаемой продукции. К чис-лу этих стадий относятся конверсия природного газа водяным па-ром, очистка конвертированного газа от СО2 и синтез аммиака.

Конверсия природного газа водяным паром осуществляется в трубчатых печах при температурах800–830°С и соотношении пар: газ, равном3,7–3,8. Необходимая температура в реакционных трубах достигается за счет сжигания природного газа в меж-трубном пространстве. Для снижения расхода природного газа на сжигание необходимо уменьшить избыток водяного пара и снизить температуру в зоне реакции, что может быть достигнуто за счет применения более активных катализаторов. В современных зарубежных схемах соотношение пар: газ уменьшено до2,5–3,0, а температура на выходе из реакционных труб понижена до780°С. Это приводит к уменьшению расхода

природного газа на сжигание в межтрубном пространстве, однако при этом степень конверсии природного газа снижается, а концен-трация метана на выходе из трубчатой печи возрастает с9–10 до 15–16%. Для достижения полного превращения метана на вторую

ступень конверсии приходится подавать большее количество воз-духа, поэтому после второй ступени конверсии образуется азото-водородная смесь нестехиометрического состава, содержащая из-быток азота. Избыточный азот необходимо выводить из цикла

синтеза аммиака криогенными методами, что усложняет схему синтеза, но нергоемкость процесса снижается. Вторым способом снижения расхода природного газа на по-догрев реакционной смеси является использование тепла конверти-рованного газа после второй ступени конверсии, которая осуществ-ляется в шахтном конверторе смесью водяного пара и воздуха. На выходе из шахтного конвертора температура газов составляет950–1000°С. Это тепло можно использовать для нагревания парогазовой

смеси в трубчатой печи, что потребует существенного изменения конструкции трубчатого реактора. Такие конструкции уже разрабо-таны и эксплуатируются на ряде современных агрегатов. Второй энергоемкой стадией является очистка конвертиро-ванного газа от СО2, что обусловлено высокой температурой реге-нерации поглотительных растворов, которая составляет120– 130°С. Для снижения затрат пара на регенерацию необходимо

применение селективных поглотителей СО2, имеющих более низ-кую температуру регенерации. К числу этих поглотителей отно-сятся водные растворы метилдиэтаноламина СН3N(CH2CH2OH)2 и органические поглотители– метанол, пропиленкарбонат, метил-пирролидон, полиэтиленгликоль и др.

При использовании органических растворителей поглощение СО2 осуществляется за счет физического растворения, поэтому ре-генерация поглотительных растворов может осуществляться без нагревания, а за счет снижения давления.

Важным направлением снижения энергетических затрат явля-ется снижение давления синтеза. Это мероприятие может быть реализовано только при использовании высокоактивных низко-температурных катализаторов. Такие катализаторы уже созданы и

эксплуатируются. В частности, на рутениевых катализаторах син-тез аммиака осуществляется при давлениях8–10 МПа вместо30– 35 МПа на железных катализаторах.

Одним из направлений совершенствования схем синтеза ам-миака является утилизация продувочных и танковых газов. На современных крупнотоннажных агрегатах объем продувочных газов составляет~8700 м3/ч, объем танковых газов– 1670 м3/ч.

Их состав характеризуется следующими данными:::

Состав продувочных и танковых газов:

1)Продувочные обьем м3/ч=8700, (Cостав газа, %об.: NH3=10–12, Н2=53, N2=18, СН4=12–13, Ar= 4–5.

2)Танковые обьем м3/ч=1670 (Cостав газа, %об.: NH3=15–16, Н2=40, N2=14, СН4=24, Ar= 4,5.

Вместе с продувочными и танковыми газами теряется значительное количество аммиака, азотоводородной смеси, метана и аргона.

В современных схемах выделение аммиака из продувочных и танковых газов осуществляется путем вымораживания при охлаж-дении до температур–25–(–30)ºС. После выделения аммиака продувочные и танковые газы разделяют методом глубокого охлаж-дения на криогенных установках или с помощью полупроницаемых мембран. Это позволяет выделить из продувочных и танковых газов все ценные компоненты и вернуть их в цикл, а также дополнительно получить чистый аргон.