/
Author: Орлов А.А. Семенов В.П. Овчинников В.И. Семенова Т.А. Киселёв Г.Ф.
Tags: производство соединений азота связывание азота азотная промышленность в целом физические и физико-химические процессы и оборудование физические и физико-химические воздействия на химические процессы химия химическая промышленность химические вещества химические технологии
Year: 1985
Text
Производство
АММИАКА
Под редакцией
В. П. СЕМЕНОВА
МОСКВА
«ХИМИЯ»
1985
БП7.2
П 801
УДК 661.53:66.08
Производство аммиака/Под ред. В. П. Семенова.—
М.: Химия, 1985. — 368 с., ил.
В книге рассмотрены теоретические основы процессов про» пюдстпп пм-
миака в энерготехнологическнх агрегатах оптимально-большой единичной
мощности (до 1500 т/сутки), а также технологическое н конструктивное
оформление стадий получения исходного газа, его очистки, ciinreta аммиа-
ка. Большое внимание обращено на энергетическое обеспечение агрегатов,
принципы нх автоматизации, опыт эксплуатации и меры, обеспечивающие
надежность н безопасность работы.
Предназначена инженерно-техническим работникам азотной промыш-
ленности. Может быть полезна при изучении технологии неорганических
веществ и минеральных удобрений.
368 с., 152 рис., 70 табл., 147 литературных ссылок.
Рецензент: начальник технического отдела В ПО «Союзазот»
Минудобрений В. М. Давыдов.
Авторы: В. П. СЕМЕНОВ, Г. Ф. КИСЕЛЕВ, А. А. ОРЛОВ,
Т. А. СЕМЕНОВА, В. И. ОВЧИННИКОВ, В. М. КОНОВАЛОВ.
2802020000—065
П 050(01)—85 65,85
© Издательство «Химия», 1985
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие................................... 5
Ниеде и ис . . .......................... 7
лава 1. Термодинамический анализ производства ам-
миака .............................................. Ю
Глава 2. Технологическое и конструктивное оформление
современного агрегата производства аммиака с использова-
нием двухступенчатой паровоздушной конверсии природно-
го газа.............................................................21
Технологическая принципиальная схема ...............................21
Сероочистка природного газа.............................., . . 27
Двухступенчатая паровоздушная конверсия (риформинг) природного
inia . . ................................................. 44
Фи шко-химпческие основы процесса конверсии углеводородных газов 44
Катализаторы конверсии метана...................................... 46
Отложение углерода на никелевых катализаторах...................51
Действие на катализаторы сернистых соединений, пара и парового
конденсата....................................... . . . . 52
Получение технологического газа.................................52
Аппаратурное оформление процесса.................., 57
Конверсия оксида углерода водяным паром.............................79
Катализаторы конверсии оксида углерода ............................ 80
Основные особенности применяемой аппаратуры.........................98
Аксиальные аппараты.............................................99
Радиальные аппараты.............................................102
Горизонтальные реакторы................................. . . 104
Сравнительные характеристики аксиальных и радиальных конверто-
ров оксида углерода........................................... Ю4
Очистка конвертированного газа от диоксида углерода................107
Основные особенности процесса очистки газа от диоксида углерода 107
Очистка газа растворами моноэтаноламина............................109
Очистка газа раствором поташа......................................112
Аппаратурное оформление процессов очистки..........................114
Коррозия аппаратуры и меры борьбы с ней............................119
Меры предотвращения вспениваемости растворов.......................124
Промышленная эксплуатация установок очистки газа от диоксида уг-
лерода . 124
Сравнение различных методов очистки................................127
Метанирование оксидов углерода.................................... 128
Катализаторы процессов гидрирования оксидов углерода . . . . 129
Технологическая схема гидрирования оксидов углерода и основные осо-
бенности аппаратурного оформления процесса.........................136
Синтез аммиака.....................................................138
Физико-химические основы процесса синтеза аммиака » 138
Равновесие реакции.............................................138
Кинетика и механизм реакции ................................ 139
Катализаторы синтеза аммиака..................................142
Основные принципы управления процессом синтеза аммиака . . 145
Обоснование выбора давления процесса синтеза аммиака . . . . 151
Технологическая схема отделения синтеза аммиака....................152
3
Основное оборудование .......................................... , 154
Некоторые вопросы эксплуатации агрегата синтеза......................161
Хранение и транспортирование жидкого аммиака по трубопроводам 164
Процесс хранения аммиака в изотермическом резервуаре . . . 164
Основное технологическое оборудование........................... 167
Транспортирование жидкого аммиака по трубопроводам . . . 168
Глава 3. Энергетическое обеспечение современного агре-
гата производства аммиака...........................................171
Принципиальная схема энергетического обеспечения....................171
Система водоподготовки................................. ... .174
Осветление воды методом коагуляции..................................178
Осветление воды методом осаждения (известкование)...................181
Основное оборудование ..................................... 185
Выбор схемы ионитной обработки воды.......................... ... 195
Обработка конденсатов ..................................... 196
Оборудование фильтровальных установок . . . „ ... 196
Система получения и распределения пара ......... 198
Схема производства и распределения пара............................198
Основное паросиловое оборудование...................................201
Причины загрязнения пара............................................209
Коррозия паросилового оборудования и основные мероприятия по ее
предотвращению...........................„..........................213
Система конденсации пара после турбин компрессоров..................219
Насосно-компрессорное оборудование ................................ 222
Паровые турбины......................-.................. . . 222
Насосное оборудование...................., ........ 236
Турбокомпрессорные установки........................................246
Абсорбционно-холодильная установка................................ 273
Технологическая схема абсорбционно-холодильной установки . . . 275
Характеристика основного оборудования...............................275
Аппарат воздушного охлаждения...................................... 277
Абсорбер.................................................... .... 279
Глава 4. Основные принципы автоматизации современно-
го агрегата производства аммиака...................................279
Автоматизированная система управления технологическим процессом
(АСУ ТП)...........................................................279
Структура управления .......................................... . 282
Расчет и печать технико-экономических показателей (ТЭП) . 283
Система защиты агрегата............................................285
Типовой контур регулирования технологического параметра . . . 286
Типовой контур дистанционного управления клапаном .... 287
Аппаратурное оформление АСУ ТП.....................................287
Автоматизированная система управления (АСУ ТП) аммиакопровода 299
Глава 5. Опыт эксплуатации современных агрегатов
производства аммиака.....................-..................306
Безопасность и надежность................................. 306
Строительные и монтажные характеристики агрегата 323
Основные этапы пуско-наладочных работ.......................328
Аварийные остановки агрегата ...............................332
Мероприятия по обеспечению техники безопасности, санитарных норм
выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод..................338
Литература .................................................350
Предметный указатель........................................355
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
XXVI съезд КПСС, выдвигая широкую программу социаль-
ного развития и повышения народного благосостояния, на пер-
вый план поставил задачу улучшить снабжение населения про-
дуктами питания. Разработана и осуществляется Продовольст-
венная программа СССР до 1990 года, которая является важ-
нейшей составной частью экономической стратегии партии на
ближайшее десятилетие.
Важной составной частью Продовольственной программы яв-
ляется пропорциональное и сбалансированное развитие агро-
промышленного комплекса. В состав агропромышленного комп-
лекса входит производство минеральных удобрений и регуляр-
ное снабжение ими сельскохозяйственных предприятий страны.
Продовольственной программой предусмотрены более высо-
кие, чем в предыдущем десятилетии, темпы строительства и
ввода мощностей по производству минеральных удобрений, в
том числе — азотных.
Ввод в 1973 г. первого крупного энерго-технологического
агрегата производства аммиака на Невинномысском ПО «Азот»
Ставропольского края ознаменовал начало нового, качествен-
ного скачка развития азотной промышленности' Советского
Союза. В следующее десятилетие отечественная промышлен-
ность сумела построить более 30 современных агрегатов про-
изводства аммиака и увеличить его выработку почти на
20 млн. т/год (в 3 раза).
Производство аммиака, как известно, отличается большой
энергоемкостью. Историю развития производства аммиака
можно рассматривать как борьбу за повышение полезного ис-
пользования электрической, тепловой и механической энергии.
Па первых установках производства аммиака к. п. д. не пре-
вышал 10—11%- Использование природного газа в производ-
стве аммиака увеличило общий энергетический к. п. д. до 40%.
Современные энерго-технологические агрегаты аммиака прак-
тически автономны и имеют производительность 450—500 тыс. т.
в год и общий энергетический к. п. д. 50—52% . Это обеспечено
достижениями химической технологии, химического и энерге-
тического машиностроения, металлургической и приборострои-
тельной промышленности, а также высокой квалификацией
строителей, монтажников и эксплуатационников.
В Советском Союзе в настоящее время эксплуатируется не-
сколько десятков энерго-технологических агрегатов производ-
ства аммиака, большинство из которых построены по проектам
ГИАП.
В советской и зарубежной технической литературе в послед-
нее время опубликован ряд статей, фундаментальных моногра-
5
фий и учебников, посвященных отдельным стадиям технологи-
ческого процесса производства аммиака, аппаратам и маши-
нам, применяемым в производстве, вопросам автоматизации
процесса, его экономике.
Авторы данной монографии сделали попытку описать совре-
менный агрегат производства аммиака как единую систему, ко-
торая может успешно функционировать только как единое,
органически слитное целое. В предлагаемой книге излагаются
физико-химические основы всех стадий производства аммиака,
характеризуются применяемые катализаторы, методы подготов-
ки воды и система распределения пара энергетических парамет-
ров, принципы работы машин и аппаратов современного агре-
гата производства аммиака мощностью 1360 т/сут. Излагаются
также вопросы ^автоматизации агрегата и отечественный и за-
рубежный опыт эксплуатации подобных агрегатов.
Авторами разделов книги являются: введение, глава 1, § 1,3
главы 2, § 1 главы 3 — В. П. Семенов; § 2, 4, 6 главы 2 —
Т. А. Семенова; § 2, 7 главы 3, § 3 главы 5 — А. А. Орлов;
§ 4, 5, 6 главы 3, § 1 главы 5 — Г. Ф. Киселев; глава 4 —
Н. И. Коновалов; § 5 главы 2 — А. А. Орлов, Т. А. Семенова;
§ 7, 8 главы 2, § 3 главы 3, § 2, 3, 4 главы 5 — А. А. Орлов,
В. И. Овчинников.
Общая редакция книги осуществлена Семеновым В. П.
Авторы выражают глубокую признательность рецензенту
книги В. М. Давыдову — нач. технического отдела ВО «Союз-
азот» за ценные советы и пожелания.
Авторы выражают искреннюю благодарность В. В. Харла-
мову и В. М. Панченкову за участие в обсуждении материа-
лов, использованных при подготовке рукописи, и полезные за-
мечания. Авторы благодарят также сотрудников Государствен-
ного института азотной промышленности и продуктов органи-
ческого синтеза (ГИАП), результаты работ которых приведены
в книге, а также сотрудников, принимавших участие в подго-
товке рукописи к печати. .
ВВЕДЕНИЕ
Во всех индустриально развитых странах азотная про-
мышленность является в настоящее время одной из основных
ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, ха-
рактеризующие стремительный рост 'производства связанного
азота. В 1955 г. во воем мире .было произведено аммиака около
8 млн. т, в 1965 г. — 20 млн. т, в 1975 г. — 66 млн. т, а в
1980 г.—(более 100 млн. т. Ожидается, что в 1985 г. его про-
изводство превысит 120 млн. т. [1—5].
Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется
в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо
растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без
минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невоз-
можно решить задачи интенсификации сельского хозяйства, а
с (ростом интенсивности сельского хозяйства растет дефицит
в связанном азоте в обрабатываемых почвах. Подсчитано, что
в ближайшее время потребность сельского хозяйства всей пла-
неты в связанном азоте должна превысить 200 млн. т. [3, 6].
Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в
нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Сред-
негодовой темп прироста производства аммиака за последние
20 лет составлял 10—19%. В 1980 г. азотная'промышленность
произвела более 20 млн. т аммиака. Рост производства азотных
удобрений будет продолжаться и дальше [2, 7].
За относительно короткий срок своего существования —
54 года, отечественное производство синтетического аммиака
совершило в буквальном смысле стремительный взлет. Первая
отечественная установка имела годовую мощность 8 тыс. т ам-
миака [8], современный агрегат производства аммиака имеет
мощность 450 тыс. т.
Наиболее обобщенной характеристикой, отражающей дости-
жения как в области физико-химических исследований, так и
в области технологии и аппаратурного оформления процесса,
являются удельные энергетические затраты на производство
1 т аммиака. Если первые отечественные установки по произ-
водству аммиака, основанные на электролизе воды или газифи-
кации кокса, расходовали, соответственно 5,6 и 4,6 т условного
топлива на тонну аммиака, то современный агрегат производ-
ства аммиака расходует всего 1,2 т.
Первые этапы развития производства аммиака характери-
зуются стремлением к совершенству отдельных технологиче-
ских звеньев общего процесса. Строительство новых заводов и
установок осуществляется на основе все более рациональных
и совершенных технологических схем, применяются все более
падежные конструкции технологических аппаратов и энергети-
7
ческих машин, более активные, селективные и стабильные ката-
лизаторы, растворители и 'поглотители. Растет степень авто-
матизации управления производством, используются достиже-
ния химической физики, укрупняются 'мощности единичных аг-
регатов синтеза аммиака.
В развитии отечественной азотной промышленности большое
значение имел перевод производства на более экономичный и
менее дефицитный, по сравнению с коксом, вид сырья — при-
родный газ. Это потребовало изменения методов получения и
очистки технологического газа, разработки новых видов техно-
логического оборудования, аппаратов и арматуры, разработки
новых видов катализаторов, увеличения производительности
установок.
В середине 60-х годов в химической технологии, и в первую
Очередь в производстве аммиака, произошли коренные измене-
ния. Эти изменения были подготовлены теорией химической
технологии, разработавшей принцип построения энерго-техно-
логических схем производства. Этот принцип предусматривает
генерирование всей энергии, необходимой для осуществления
процесса производства внутри технологической схемы.
Практически полная рекуперация тепла всех экзотермиче-
ских реакций, составляющих процесс производства аммиака,
дает 'возможность получать пар высоких энергетических пара-
метров (100-10s Па и 500°С) и полностью удовлетворить по-
требность производства в механической энергии и технологиче-
ском паре.
К этому времени были накоплены значительные знания и
опыт в области 'химической технологии, кинетики и катализа,
аппаратурного оформления процессов. Все это позволило осу-
ществить конверсию природного газа в трубчатых печах, низко-
температурную конверсию оксида углерода, очистку технологи-
ческого газа от диоксида углерода и тонкую каталитическую
очистку синтез-газа от кислородсодержащих оксидов углерода
под давлением 35-105 Па. Взамен суммы контрольно-измери-
тельных приборов, которые помогали поддерживать заданный
технологический режим на каждой стадии процесса, были соз-
даны автоматизированные системы управления процессом про-
изводства аммиака как единым целым. Управление осуществля-
лось с применением электронных вычислительных машин, вна-
чале в режиме контроля и советов оператору, а затем с переда-
чей ей всех функций оперативного управления в оптимальном
режиме.
Значительные успехи металлургов, которые сумели создать
реакционные трубы из высоколегированной хромо-никелевой
стали, способные работать в условиях одностороннего внутрен-
него давления (35—40) • 10s Па, при температуре стенки около
900 °C безаварийно в течение 10 лет, позволили сконструиро-
вать весьма сложный технологический аппарат — трубчатую
печь парового риформинга углеводородов.
8
К этому 'времени машиностроители закончили свои продол-
жительные исследования и предложили 'химической технологии
центробежный компрессор, который обладал рядом преимуществ
перед применявшимся до сих пор поршневым компрессором.
Центробежный компрессор имеет большую производительность,
значительно большее время 'безостановочного пробега, чем порш-
невой. Его конструкция рассчитана таким образом, что ком-
примируемый синтез-газ совершенно не загрязняется смазоч-
ным маслом. Приводом центробежного компрессора является
паровая турбина, что также хорошо сочетается со всей энер-
гетической схемой агрегата производства аммиака, внутри ко-
торой вырабатывается водяной пар энергетических параметров.
В результате огромного объема творческой работы специа-
листов многих отраслей промышленности: ученых и инженеров
технологов-химиков, металлургов и машиностроителей, энерге-
тиков и специалистов по автоматизации был спроектирован,
строителями и монтажниками сооружен 'современный агрегат
производства аммиака. Большая работа была проделана на за-
водах, в цехах производства аммиака. Инженеры и рабочие
в короткие сроки добились надежной работы агрегатов.
В настоящее время большая часть аммиака отечественная
азотная промышленность вырабатывает на современных агре-
гатах. В ближайшей перспективе практически весь аммиак бу-
дет производиться на агрегатах, построенных по энерготехноло-
гическим схемам.
Технико-экономические показатели современного агрегата
производства аммиака оказались значительно лучше, чем пока-
затели производства аммиака, построенного по технологическо-
му принципу. Кроме того этот агрегат обладает одним из важ-
нейших преимуществ современных производств — высокой про-
изводительностью труда [7].
Дальнейшее совершенствование производства аммиака на-
правлено на повышение его коэффициента полезного действия,
на более рациональное использование сырьевых и энергетиче-
ских ресурсов, на увеличение надежности работы энергетиче-
ских машин и технологических аппаратов, системы автоматиза-
ции и исполнительных механизмов, катализаторов, адсорбентов
и растворителей.
Глава 1
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА
Современная химическая промышленность характеризует-
ся высокой энергоемкостью большинства производств. Резкое
увеличение в последнее время мощностей их производства де-
лает актуальной проблему наиболее квалифицированного ис-
пользования сырья и энергии. Необходимым условием повыше-
ния эффективности химических процессов является их дальней-
ший углубленный термодинамический анализ. Такой анализ по-
зволяет выяснить предельные возможности рассматриваемых
процессов, определить источники потерь и правильно выбрать
пути их устранения.
Термодинамический анализ с использованием эксергетиче-
ского метода, дающий возможность более всестороннего рас-
смотрения анализируемой системы, широко применяется для
систем, в которых протекают термомеханические процессы и
необратимые процессы сжигания топлива [9—18].
Применение эюоергетического метода для анализа сложных
химико-технологических систем (ХТС) в последнее время так-
же получает все более широкое распространение. Заложены
основы системного подхода к сложным ХТС и оценки их со-
вершенствования с помощью эксергетического баланса [19—
24].
Крупные химико-технологические агрегаты необходимо рас-
сматривать как единую систему, где отдельные стадии жестко
связаны по потокам массы и энергии [25].
Для любых систем наряду с уравнениями материального и
энергетического балансов
0НСх — GKOH (1 • 1)
AlCX = ^КОН (1-2)
обязательными являются
для обратимых процессов
2£исх=2£«он (1-3)
для необратимых процессов
2£исх>2£кои
где G — количество вещества; / — энтальпия потоков вещества; 5Исх и
Екон — эксергия соответственно исходных и конечных потоков.
10
При .анализе сложных многостадийных химических процес-
сов дополнительно к уравнению (1) требуется соблюдение
принципа стехиометрических соотношений химических элемен-
тов в конечных целевых продуктах и исходных реагентах [25,
26]
ACi + ВС» = СА1СВ»
где С1 и С11 — компоненты, участвующие в реакции; А и В — стехиометри-
ческие коэффициенты элементов конечных продуктов в исходных реагентах.
Известно, что в настоящее время основным исходным сырьем
при производстве аммиака является природный гав [25, 27].
Для удобства расчета можно принять, что он состоит целиком
из метана. В общем виде уравнение, суммирующее все стадии
процесса (уравнение 1квазипрямого перехода), может быть за-
писано в виде:
аСН4 + ₽Н2О + ТО2 + eN2 --> 6NH3 + gCO2 (1.5)
В соответствии с 'методикой эксергетического анализа прини-
мают, что подвод исходных реагентов и отвод аммиака и диок-
сида углерода осуществляется при нормальных условиях.
В настоящее время наиболее распространенные методы по-
лучения водорода и азотоводородной смеси основаны на взаи-
модействии углеводородов с водяным паром и воздухом или
воздухом, обогащенным 'кислородом, или взаимодействии угле-
водородов с технически чистым кислородом с дальнейшим вве-
дением необходимого количества азота [25].
Каждый из этих способов отличается условиями ведения
процессов.
Величины коэффициентов в уравнении (1.5) зависят от ме-
тода получения водорода. Для удобства и большей наглядности
все дальнейшие выкладки проводятся из расчета получения 1 т
аммиака. Теоретический расход водорода и азота на синтез 1 т
аммиака составляет соответственно 1970 и 656,7 м3*.
Полная паровая конверсия метана с последующей дозиров-
кой азота является одним из примеров получения исходной
смеси для синтеза аммиака. При этом стехиометрическое урав-
нение стадии получения водорода можно записать в виде
СН4 + 2Н2О 4Н2 + СО2 (1.6)
В этом случае соотношение стехиометрических коэффициен-
тов у метана н воды в уравнении (1.5) будет составлять 1 : 2.
Численное же значение этих коэффициентов на единицу массы
аммиака определяется из материального баланса системы по
водороду
ссСН4 + рн2о —> 6МНз + аСО2 (1.7)
так как р=2« и 1 т NH3 эквивалентна 1970 м3 водорода, то
уравнение (1.5) принимает вид
aCH4 + 2tzH2O —> 1970Н2 + аСО2 (1.8)
* Здесь и далее считая на объем газа, приведенного к нормальным усло-
ипям.
11
Расчет баланса по водороду на 1 т аммиака показывает, что
стехиометрический коэффициент а=492,5. Тогда 0 = 985. Соглас-
но принятой схеме для реакции надо подвести стехиометриче-
ски необходимое количество азота, но так как в природе нет
свободного азота, то в систему вместе с азотом из воздуха по-
ступит определенное количество кислорода и аргона, которые
в дальнейшем из системы необходимо вывести. Следовательно
в окончательном виде уравнение принимает вид
492,5СН4 + 985,0Н2О + 656,7N2 -|- 177,0О2 + 8,0Аг ->
---> 1 т NH3 + 492,5CO2+ 177,0О28,0Аг (1.9)
Численные значения стехиометрических соотношений в дан-
ном случае выражаются в м3 соответствующих компонентов.
Наиболее распространенный метод производства технологи-
ческого газа — двухступенчатая паровоздушная конверсия —
может быть записана следующей системой уравнений
СН4 + 2Н2О <->: 4На + СО2 (1.10)
СН4 + 2О2 * 2Н2О + СО2 (1.11)
Метан в данном случае расходуется на получение водорода
и на реакцию с кислородом воздуха. Так как для реакции син-
теза аммиака необходимо подать 656,7 м3 азота, то одновре-
менно с ним из воздуха в систему поступает 177 м3. кислоро-
да и 8 м3 аргона. После расчета стехиометрических коэффи-
циентов общее уравнение квазипрямого перехода для данного
случая принимает вид
581 .OCHj + 808,0Н2О-р 177,0О2 + 8,0Аг-J-656,7N2 -->
—> 1 т NH3 + 581,0СО2 + 8,0Аг (1.12)
Производство технологического газа высокотемпературной
конверсией может быть охарактеризовано следующими урав-
нениями
СН4 + 0,5О2 ГЛГ СО-]-2Н2 (1.13)
СО + Н2О “ СО2 + Н2 (1.14)
Так как необходимое для реакции количество кислорода и
азота поступает в систему из воздуха, то в системе окажется
избыточное против стехиометрического количество азота и ар-
гона, которые в дальнейшем необходимо вывести. После соот-
ветствующих преобразований в окончательном виде уравнение
принимает вид
656,7СН4 + 656,7Н2О + 328, ЗО2 + 656,7N2 + 563,2N2 + 15,0Аг —
--->- 1 т NH3 + 656,7СО2 + 563,2N2-f-15,0Ar (1.15)
Из полученных уравнений (1.9), (1.12) и (1.15) видно, что прин-
цип стехиометрических соотношений позволяет определить ми-
нимальное количество исходных реагентов для получения еди-
ницы конечного целевого продукта, т. е. рассчитать минималь-
ные расходные материальные показатели в технологическом
процессе.
12
Для определения идеальных энергетических показателей по-
лучения аммиака весь процесс его производства удобно рас-
сматривать как единую термодинамическую систему (рис. 1.1),
на границах которой подводятся сырье и энергия и отводятся
целевой и побочные продукты в виде потоков вещества и энер-
гии.
При анализе производства одного или нескольких продуктов •
уравнения (1.2) и (1.3) целесообразно переписать в форме
т п е
(1.16)
i=l A’--l s=I
т п е
Esm (1.17)
£=1 fe=l s=l
где /исх И Еисх, 7цп И £Цп, Лш и Епп — энтальпия н эксергия соответствую-
щих исходных реагентов, целевых и побочных продуктов.
На рис. 1.1 представлены результаты расчетов энтальпий-
ных и эксергетических балансов производства аммиака в соот-
ветствии с уравнениями (1.9), (1.12) и (1.15) квазипрямого пе-
рехода метана в аммиак. Расчет эксергии выполнен на основа-
нии методики Шаргута [14]. Как видно из рис. 1.1, система А
характеризуется некоторым недостатком энтальпии и эксергии.
Это значит, что даже при обратимом ведении процесса для
стехиометрического перехода исходного вещества в конечные
продукты к системе необходимо подвести определенное количе-
ство тепла и эксергии. Дебаланс системы по энтальпии в коли-
честве 2,1704-106 кДж на 1 т NH3 может быть покрыт за счет
подвода в систему тепла 2,1704-10® кДж на 1 т iNH3. Темпера-
тура потока определяется из дебаланса эксергии (2,0025 X
X10® кДж на 1 т NH3) по соотношению
Т—То
ЕЕ = Ы —уг-5- (1.18)
К системе могут одновременно подводиться как тепло, так
и механическая (или электрическая) энергия. При этом коли-
чество и параметры подводимого тепла зависят от величины
подводимой механической энергии.
Термодинамические системы Б и В (см. рис. 1.1) отражают
соответственно процессы двухступенчатой паровоздушной и кис-
лородной высокотемпературной конверсий, характеризуются из-
бытком энтальпий и эксергий. Дебаланс этих систем может
быть покрыт либо за счет вывода соответствующего количества
тепла, либо при одновременном выводе тепла и механической
энергии. Температура и количество выводимого потока тепла
будут при этом определяться количеством выводимой механи-
ческой или электрической энергии.
В табл. 1.1 приведены стехиометрические расходные коэф-
фициенты при квазипрямом переходе метана в аммиак для пол-
13
Система «А»
Усн4 -9-92,5нм3 ________ Vnh3 "'Im
—Г"' 7сн4 = 19Д130-10вкДзю ^сн4 = 18,3920-106кДж Ун2О ” 792кг 5 ►- Jnh3 =22,9718-10ькДж Е^ 20,0761-Юь'кДж 1/со2 = 992,5 нм3
Дн2О = 0,9379-10вкДж £н2О = 0,1339-10екДж У бозд. = 892 нм3 7Со2 0,2097-ЮвкДж £со2 = ОД939-U)6кДж Vo„ = 177 нм3
3 0оэ8. = 0,3298-10екДж ЕвозО. = 0}0259 - 10 БкДж 0 И АЗ=2,1709-10екДж 71=2,0025-10бкДж _ 7О. = 0,0682-10ьк Дэю Eq2 = 0,0319- 10екДж 1/д,- 8 нм3 „.г,’*'
7дг = 0,0021 10ЬкДэю
£дг = 0,0038 10 БкДж
ЕЩ = 20,5769-10екДж
SEj —18,5521 ’10БкДж
ЕЗг = 22,7969-10вкДж
£Е% - 2О,!Д9а-1ОВг.Дж
Система «Б>>
V СН4 = 581нм3 Vnhs = 1т
3 СН4" 23,3686 -106кДж Е СН4 = 21,697-106кДж V Н2О = 899,6кг : 3 Н2О = 0,3596-10бкДж Е н2О = 0,1218 -10екДж ^Оозд. =892нм3 3 NH3 = 22,9718-Ю6кДж £nh = 2ДО71ДоВкДж 581 нм3
3СО2 = 0,2912-106кДж еСО2 =0,5233-10бкДж Удг =6 нм3
Звоэд. = 0,3299-10БкДж Евозв. = 0,0259 -10екДЖ ZJj = 29,0531 -106кДЖ EEj= 21,830-10БкДж 3 Аг = 0,0021-10екДж Еаг = 0,0038-10екДж АЗ =-1,3381-10екДж 23г =22,715-10 кДж АЕ = -1,2330-10 кДж ДЕг=20,603-ЮекДж:
ной ларовой конверсии метана с дозировкой необходимого ко-
личества азота, двухступенчатой паровоздушной и высокотем-
пературной кислородной конверсии метана.
Минимальный расход метана для получения 1 т аммиака со-
ставляет 492,5 м3. Процесс протекает с потреблением тепла и
электрической энергии при выдаче 177 м3 кислорода. Макси-
мальный расход метана (656,7 м3) характерен для высокотем-
пературной кислородной конверсии (система В) При этом си-
стема выдает 563 м3 азота.
По расходу природного газа на 1 т аммиака (581 м3) схе-
ма с двухступенчатой паровоздушной конверсией занимает про-
межуточное положение. Однако системы Б и В выдают меха-
ническую или электрическую энергию и тепло.
Количество подводимой в систему или отводимой из системы
механической энергии и тепла определяется в каждом случае
14
ДО, =27,3080 10БкДж
2Е, = 24,6636-106иДж
Система «В»
VCh4 = 656,7нм3
JcH4 ~ 26,4130-10вкДж
ЕСПл = 24,5240-10БкДж
у £
JH О “ 0,2922-10вкДж
£ио - 0,0916-10ьиДж
^возд. ~ 7563,3нм
36оэд = 0,6028-106кДж
ЕвоэВ. = 0,0477-10екДж
ЛЗ =-18,1813-10екДж
ЛЕ = - 3,9699-Ю^Дж
^NHa ° 1гп___________
7Nh3 = 22,4718-10БкДж
fNH3 = 20,0761-106кДж
^со2 = 656,7нм3
Jco = 0,2729 -10БкДж
ЕСо = 0,5916-10БкДж
Ич2 2 = 663,2нм3
Зк = 0,0180-10ен.Дж
Ещ = 0,0180-1оРкДЖ
УАг = 75,008 НМ3
7Аг = 0,0038-10вкДж -
ЕКг = 0,0080-10екДж
ЕЭг = 22,9650 10вкДж
ДЕ» = 20.6936 -10вкДж
Рис. 1.1. Результаты расчетов энтальпийных и эксергетических балансов производства
аммиака.
исходя из конкретных условий. В табл. 1.1 эти величины выбра-
ны для примера произвольно.
Для сравнения эффективности многостадийных химических
процессов целесообразно ввести коэффициент целевого 'исполь-
зования исходного сырья. В качестве критерия оценки предла-
гается ввести к. п. д., который равен отношению эксергии ко-
нечных целевых продуктов к эксергии исходных реагентов при
обратимом процессе
Т k=l
Е‘исх
i=-1
В случае производства аммиака эксергетический к. п. д. мо-
жет быть записан в виде
Т________________£КН3____________ /. 9fn
-₽СН4 + £н20 + £О2+1Ч + £Аг + £э
Для процессов А, Б и В значения к. п. д. будут составлять
соответственно 99,57, 91,91 и 81,32%.
Так как реальные технологические процессы являются не-
обратимыми, то для них верно соотношение
2£‘исх=2Е/!,'п+2£'°п+2£2п (1-2П
i=l А=1 s=l г=1
где Еп — эксергия потерь.
15
Таблица 1.1. Стехиометрические расходные коэффициенты
Статьи расходов и отходов Единицы измерения Система
А Б В
Сырье 492,5 581,0 656,7
Природный газ м3
Вода кг 792,0 649,6 527,9
Воздух м3 842,0 842,0 1563,3
Тепло кДж-10в 0,3701 — —
Электроэнергия кВт-ч 500 — —
Температура подводимо- го теплоносителя Отходы К 657,3 — —
Аммиак т 1 1 1
Диоксид углерода м3 492,5 581,0 656,7
Кислород м3 177 — —
Аргон м3 8 8 15
Азот м3 — — 563,2
Электроэнергия кВт-ч — 300 1000
Тепло кДж - 10в — 0,2579 0,7419
Температура отводимого теплоносителя К — 731,7 593,6
Побочные продукты, какими в схемах производства аммиака
являются СО2 и механическая или электрическая энергия, мо-
гут быть полезно использованы и поэтому приравнены к целе-
вым. Тогда эксергетический целевой к. in. д. производства ам-
миака может быть определен ив уравнения
т £nh3 + Еэ 4- £со2
----УЁ------
(1.22)
Чем больше тепла отдает система окружающей среде, не ис-
пользуя его для производства механической или электрической
энергии (г. е. эксергии), тем выше ее необратимые потери и
ниже целевой к. п. д.
На рис. 1.2 представлена диаграмма технологических стадий
современного агрегата производства аммиака мощностью
1450 т/сут.
Оценка эксергетического к. п. д. этого реального агрегата
требует подробного анализа его технологической схемы, теп-
лообменных процессов, работы турбин, компрессоров, насосов.
Эксергия, или техническая работоспособность, характеризу-
ет максимальную полезную работу (т. е. работу, получаемую
в обратимом процессе), которая может быть получена при пе-
реходе рабочего тела от параметров системы к параметрам ок-
ружающей среды. Поэтому эксергия позволяет оценить как ко-
личество, так и качество поступающей и выходящей из системы
энергии.
16
Составы н2 69,8 56,9 60,3 61,k 7k,6 П,2
•газов СО 9,0 12,1 3,0 0,3 0,k —
(Чообъемн) со2 10,7 8,1 15,В 17,8 0,1 —
СЩ 9,5 0,3 0,3 0,2 0,3 0,8
N2+A4 1,0 22,6 20,8 20,3' 2k,В 25
со+со2 — — — — 5см3/м'
Рис. 1.2. Диаграмма технологических стадий современного агрегата производства аммиа-
ка мощностью 1350—1500 т/сут.
Рабочие параметры при нормальной работе
Параметр Вход в 1-ую секцию Выход из 1-ой секции Вход во 2-ую секцию Выход из 2-ой секции
Евход, • 105 Па 24,6 — 71,22
Гвх, °C 433 — 48,9 —
Q, м3/мин 133,26 — 46,57 —
G кг/мин 1080,97 — 1038,57 —
Рвггн- Ю5 Па — 72,63 128,58
Унагн, °C — 196,8 138
Продолжение
Параметр Выход из 3-ей секции Вход в 3-ью секцию Рециркуля- ция «Вход — Выход» Выход из 4-ой секции Вход в 4-ую секцию
Рвход, * 105 Па — 127,03 306,93 —. 224,6
Твх, °C —- 7,8 21,1 — 48,9
Q, м3/мин — 24,08 36,76 — 16,53
G кг/мин — 1037,84 4396,9 — 1037,84
Рнаги * 105 Па 226,77 — 335,75 337,42 —
Гкагн, °C 93 — 33 108,2 —
[ество веще-
Эксергию рассчитывают по известному уравнению^- • ___
Е = <р [Ефиз -]- Ехим] -—----,(1. 2]3р
где Ефиз, Ехим — физическая и химическая эксергии; <р
ства.
Ефиз — i *о — ro(S—So) (1.24)-'
где i, S — энтальпия и энтропия вещества при рабочих условиях (давле-
ние— Р, температура — Т); iB, — энтальпия и энтропия приХсТайлартных
условиях (Р=1 • 105 Па, 7О=298 К).
2—831
\/'7
•Схим определяли по Шаргуту [14]. Энтальпию и энтропию
газовых смесей определяли по правилу аддитивности из энталь-
пий и энтропий отдельных веществ.
Для схем, в которых синтез-газ получают при давлении
40-105 Па и ниже, расчет энтальпии и энтропии отдельных ве-
ществ производили по законам идеальных газов с помощью
уравнений-полиномов, приведенных в работе Кьера [28].
Энтальпию и энтропию газовых смесей при давлении выше
40-105 Па рассчитывали по законам реальных газов, а энталь-
пию и энтропию газовых смесей — по принципу аддитивности.
При расчете энтропии учитывали энтропию смешения.
Термодинамический анализ агрегата с применением эксер-
гетического баланса показал, что его целевой эксергетический
к. п. д. равен 0,52. Причем тр. рассчитан по проектным показа-
телям, т. е. таким, с которыми должен постоянно работать со-
временный агрегат производства аммиака.
Эксергетический к. и. д. процесса производства аммиака, по-
строенного по чисто технологическому принципу, когда единст-
венной целью является получение основного продукта —аммиа-
ка, и практически все энергетическое обеспечение поступает
от внешних источников, составляет 0,45.
К. п. д. промежуточного процесса, в котором используется
часть вторичных энергоресурсов (генерируется водяной пар с
давлением 40-105 Па) составляет 0,46.
Как известно, к. п. д. любого технологического процесса в
наиболее обобщенной форме показывает степень совершенства
его технологического и аппаратурного оформления. Из сравне-
ния различных действительно существующих процессов видно,
что агрегат аммиака производительностью 1300—1500 т/сут,
построенный по анерготехнологическому принципу, т. е. прак-
тически при полном полезном использовании всех вторичных
энергоресурсов, является для сегодняшнего уровня развития
техники, вполне современным.
Учитывая, что наиболее совершенные тепловые 'электростан-
ции имеют к. п. д. ниже 0,46, а средний находится на уровне
0,36, целевой эксергетический к. п. д. современного агрегата
производства аммиака является достаточно высоким.
Сравнение к. п. д. агрегата производства аммиака с теоре-
тическим к. п. д. процесса квазипрямого перехода метана в ам-
миак показывает, что технологическое и аппаратурное оформле-
ние современного агрегата производства аммиака еще далеко
не достигло своего совершенства, что в производстве аммиака,
основанном на двухступенчатой конверсии природного газа,
имеются значительные резервы.
Эксергетический к. и. д. агрегата производства аммиака мо-
жет быть условно разбит на две части — технологическую и
энергетическую. Энергетическая часть включает в себя сумму
к. п. д. всех чисто тепловых аппаратов (экономайзеры, котлы-
утилизаторы, пароперегреватели и т. д.) и машин (турбины,
18
компрессоры, насосы и т. д.). Несмотря на то, что к. п. д. от-
дельных аппаратов и машин очень высок, например к. п. д.
подогревателя воды составляет 0,913, котлов-утилизаторов —
0,912, компрессора азотоводородной смеси — 0,944, насоса пи-
тательной воды — 0,72 и т. д., значение общего эксергетическо-
го ок. п. д. энергетической части агрегата производства аммиака
составляет 0,39. Общий к. п. д. технологической части агрега-
та равен 0,68. Термодинамический анализ помогает понять на-
правления, по которым следует двигаться для совершенствова-
ния технологии и аппаратуры производства аммиака.
Общий тривиальный вывод напрашивается при рассмотре-
нии основного выражения целевого эксергетического к. и. д.
Ve
I ^исх
(1-25)
Для увеличения к. п. д. сумма полезных потоков вещества и
энергии должна быть увеличена при сохранении ХЕисх на
Прежнем уровне или при ее уменьшении. Комбинирование двух
или нескольких производств в один комплекс, в котором отброс-
ный продукт одного производства является сырьем или полу-
фабрикатом для другого, повышает общий целевой к. п. д. си-
стемы. Подобные комплексы возможны и в азотной промышлен-
ности, например при совместном производстве (так называемые
интегральные схемы) аммиака и карбамида; аммиака, метано-
ла и карбамида [29—32].
В цикле современного агрегата производства аммиака нахо-
дятся большие количества тепла на различных энергетических
уровнях. Утилизация значительных количеств низкопотенциаль-
ного (100—200 °C) и среднепотенциального (200—400 °C) теп-
ла в сочетании с высокопотенциальным теплом (выше 400 °C)
позволяет получить пар высоких параметров и обеспечивать
практически все энергетические и технологические нужды агре-
гата.
Экономичное получение пара энергетических параметров
требует подвода низко- и высокопотенциального тепла в строго
определенных пропорциях. В агрегате производства аммиака
при полном использовании высокопотенциального тепла имеет-
ся некоторый избыток средне- и низкопотенциального тепла,
который выводится из цикла через воздушные и водяные холо-
дильники и дымовую трубу. Вывод этого тепла из цикла нера-
ционален как с точки зрения ‘прямых энергетических потерь, так
и из-за дополнительных затрат на снижение температурного
уровня выводимого тепла [33].
В настоящее время разрабатываются схемы, предусматри-
вающие более полное использование этого избыточного тепла
для технологических и энергетических целей [25].
Утилизация всего избыточного тепла, имеющегося в агрега-
те, и получение на его основе электрической или механической
2
19
энергии соответственно повышает к. л. д. агрегата. Для утили-
зации этого тепла в 'систему необходимо ввести определенное
дополнительное количество высокопотенциального тепла, источ-
ником которого может служить любое топливо, в частности
природный газ. Использование такого пути повышения к. п. д.
связано с разработкой новых энерготехнологических схем про-
изводства аммиака. Минимальное количество природного газа
при полной утилизации средне- и низкопотенциального тепла
определяется при разработке конкретной энерготехнологической
схемы [25, 33, 34].
Расчет стоимости получения аммиака с одновременным про-
изводством электроэнергии по сложным утилизационным энер-
готехнологическим схемам показывает их экономичность, не-
смотря на дополнительные расходы природного газа и услож-
нение энергетической части схем.
Уменьшение суммарной эксергии потоков вещества и энер-
гии, поступающей в систему, связано, в первую очередь, с ис-
ключением непроизводительных потерь эксергии в энерготехно-
логической схеме и с применением ‘более совершенных техноло-
гических приемов, катализаторов, адсорбентов и растворителей,
а также машин, насосов, турбин и компрессоров.
Современный агрегат производства аммиака можно условно
разбить на отдельные технологические стадии и провести эксер-
гетический постадийный анализ [35].
Результаты такого анализа показывают, что наибольшие по-
тери (48%) эксергии имеет стадия трубчатой и шахтной кон-
версии природного газа, очистка газа от диоксида углерода —
16%, синтез аммиака — 13%, конверсия оксида углерода — 7%.
Постадийный экоергетический анализ поможет глубже по-
нять причины столь высоких потерь эксергии на некоторых тех-
нологических 'стадиях производства и заставит найти техниче-
ские решения, сводящие их к минимуму.
Например, большие потери эксергии в трубчатой печи связа-
ны в первую очередь с деградацией энергии при сжигании
природного газа ib межтрубном пространстве в условиях, дале •
ких от оптимальных, т. е. при относительно низкой темпера-
туре.
Применение вместо трубчатой печи аппаратов типа реактор-
теплообменник, использующих тепло технологического потока
после шахтного реактора (аппарат типа «тандем») или тепло
охлаждающих газов высокотемпературных атомных реакторов
должно резко повысить к. п. д. стадии конверсии природного '
газа и всего агрегата производства аммиака.
Многолетний опыт эксплуатации современных агрегатов про-
изводства аммиака показывает, что на некоторых химических
комбинатах к. и. д. современных агрегатов производства ам-
миака иногда снижается значительнее, чем к. п. д., рассчитан-
ный по проектным показателям. Это связано в первую очередь
с а'варийными и внеплановыми остановками агрегата.
:20
Экономичная работа современного агрегата производства
аммиака большой единичной мощности (1360 т/сут) возможна
только в том случае, если повседневно поддерживается высокая
производственная дисциплина, обеспечена соответствующая сте-
пень надежности работы всей аппаратуры и оборудования, свое-
временно и качественно проводятся планово-предупредитель-
ные 'ремонты.
Г л а в а 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ
ОФОРМЛЕНИЕ СОВРЕМЕННОГО АГРЕГАТА
ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ПАРОВОЗДУШНОЙ
КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Технологическая принципиальная схема
Технологический газ, пригодный для синтеза аммиака,
может быть получен практически из любого углеводородного
сырья: природного газа, попутного газа нефтедобычи, газов
переработки нефти; из нефти и ее производных — нафты, бен-
зинов, мазутов, гудрона и т. д.; из каменного и бурого углей,
сланцев, торфа и 'битуминозных песков, а также из воды.
Применение того или иного вида сырья обусловлено его
стоимостью и доступностью (наличием) в данном регионе, прак-
тической возможностью построения наиболее экономичной
технологической схемы и ее аппаратурного оформления.
Поскольку реальные условия строительства заводов произ-
водства аммиака в различных регионах отличаются большим
разнообразием, мировая азотная промышленность отличается
широкой гаммой перерабатываемого сырья, применяемых техно-
логических схем и аппаратуры.
Основным сырьем производства аммиака и азотных удобре-
ний на его основе в нашей стране является природный газ.
Огромные масштабы производства аммиака в нашей стране
определяют необходимость выбора наиболее рациональной тех-
нологической схемы производства, обладающей самым высоким
к. п. д. — возможно полным использованием всех сырьевых и
энергетических компонентов процесса.
Агрегат производства аммиака с использованием двухсту-
пенчатой паровоздушной конверсии природного газа мощно-
стью 1360 т/сут отвечает воем требованиям развития мировой
техники.
21
Рис. 2.1. Принципиальная технологическая схема современного агрегата производства аммиака:
1 - сепаратор газового конденсата; 2 - огневой подогреватель; 3 - аппараты сероочистки; 4 - смеситель; 5- дымососы: 6 - вспомогательный ко-
тел; 7 - подогреватель парогазовой смеси; 8 - паросборник; 9 - распределительные парогазовые коллекторы; /0— реакционные трубы П-шахт
ный реактор; 12 — котел утилизатор I-й ступени; 13 — котел-утилизатор И-и ступени; 14 — увлажнитель; 15 конвертор оксида Углерода I у
пени; 16 -котел-утилизатор; 17 - конвертор оксида углерода П-й ступени: 18 - теплообменник-охладитель; 19 -абсорбер, ^-отделение регене
рации моноэтаноламннового раствора; 21 - влагоотделитель: 22 - центробежный компрессор азотоводородной смеси 21’ “ "а₽0®а®,кб°“.
прессора азотоводородной смеси: 24 - циркуляционный компрессор; 25 - конденсационная колонна; 26 - испарители жидкого “миака 27 сбор_
ник жидкого аммиака; 28 - сепаратор жидкого аммиака; 29 - аппараты воздушного охлаждения, 30 - выносной теплообменник. 31' к0^°®на
теза аммиака; 32 - нагреватель питательной воды; 33 - воздушный холодильник; 34 - нагреватель питательном воды 35 -_®авРеват“ь
тельной воды высокого давления; 36 - метанатор; 37 - теплообменник-нагреватель; 38 - отделение подготовки питательной воды, 39 деаэра
тор; 40 - теплообменник, газового конденсата; 41 - теплообменник парового конденсата; 42 - водяной насос, 43 - 47-аб-
ского воздуха; « —смеситель технологического воздуха с водяным паром; 45- турбокомпрессор природного газа; «-теплообменник, 4/ ао
сорбционно-холодильная установка.
Большинство стадий технологического процесса производ-
ства аммиака протекает с выделением тепла. Рациональное ис-
пользование этих вторичных энергоресурсов в процессе произ-
водства аммиака почти полностью обеспечивает процесс паром
и механической энергией. Это дает возможность строить агрега-
ты аммиака по энерготехиологическому принципу, приводящему
к органическому слиянию химии с энергетикой.
На рис. 2.1 представлена принципиальная технологическая
схема современною агрегата производства аммиака. Природ-
ный газ из заводского коллектора проходит расходомер и де-
лится на два потока. Один поток, идущий на конверсию, на-
правляют в сепаратор 1 для отделения конденсата высших
углеводородов. Затем газ направляют на сжатие в турбоком-
прессор 45. После компрессора газ под давлением 46-10е Па
при температуре 130—140 °C смешивают с азотоводородной
смесью, поступающей из отделения синтеза аммиака, и подают
в радиационно-конвективный огневой подогреватель 2. Далее
его при температуре около 400 °C направляют в аппараты серо-
очистки 3, где вначале на кобальтмолибденовом катализаторе
происходит гидрирование органических соединений серы с об-
разованием сероводорода, затем на оксидно-цинковых адсор-
бентах практически полное его поглощение.
После очистки от сернистых соединений газ с содержанием
серы не выше 0,5 мг/м3 смешивают в смесителе 4 с водяным
паром.
Полученную парогазовую смесь направляют в подогрева-
тель 7, расположенный в конвективной части трубчатой печи».
Нагретая до 500 °C парогазовая смесь поступает в распредели-
тельные коллекторы 9, из которых она через газоводящие труб-
ки попадает в реакционные трубы 10. В реакционных трубах на
никелевом катализаторе происходит конверсия природного газа
водяным паром.
Тепло, необходимое для реакции, получают сжиганием при-
родного газа в межтрубном пространстве печи. Из реакционных
труб конвертированный газ, содержащий около 10% остаточ-
ного метана, поступает в смеситель шахтного реактора П-ой
ступени 11. Сюда же под давлением 30-105 Па и при темпера-
туре 500 °C нагнетается турбокомпрессоро1М 43 технологический
воздух. В свободном пространстве шахтного реактора И часть
конвертированного газа сгорает с кислородом воздуха, выделяя
при этом тепло, необходимое для эндотермической реакции
оставшегося метана с водяным паром на никельсодержащем
катализаторе. Из нижней части шахтного реактора конвертиро-
ванный газ, содержащий 0,3% остаточного метана, при темпе-
ратуре около 1000 °C попадает в котел-утилизатор l-ofi ступе-
ни 12, а затем при температуре около 600 °C — в котел-ути-
лизатор П-ой ступени 13.
Технологический газ из котла-утилизатора П-ой ступени под
давлением 27-105 Па и при температуре 400 °C поступает в ув-
24
лажнитель 14, откуда с соотношением пар : газ=0,6 и при тем-
пературе 380 °C подается в конвертор оксида углерода I-ой сту-
пени 15. В конверторе оксида углерода на железохромовом ка-
тализаторе протекает конверсия оксида углерода с водяным
паром. Далее газ с остаточным содержанием оксида углерода
3,7% при температуре 450 °C поступает в котел-утилизатор 16.
Охлажденный до 225 °C газ с соотношением пар: газ = 0,45 по-
ступает в конвертор оксида углерода П-ой ступени 17, где на
медьсодержащем катализаторе протекает конверсия остаточно-
го оксида углерода. Конвертированный газ, в котором содержа-
ние оксида углерода не превышает 0,5%, с температурой 240—
275 °C проходит охладитель-испаритель, кипятильники регене-
ратора раствора моноэтаноламина, сепаратор, теплообменники
абсорбционно-холодильной установки, воздушные холодильники
(.на схеме не показаны) и с температурой 35—45 °C подается
в абсорбер 19. В абсорбере конвертированный газ промывают
водным раствором моноэтаноламина. В абсорбере из конверти-
рованного газа выделяют практически весь диоксид углерода.
Из абсорбера азотоводородную смесь с температурой 40 °C на-
правляют вначале в теплообменник-нагреватель 37, а затем —
в теплообменник 46, откуда с температурой 300 °C ее подают
в метанатор 36. Раствор моноэтаноламина подают в отделение
регенерации 20, где его подвергают разгонке и дегазации. В ме-
тан ато ре 36 на никелевом катализаторе практически полностью
проходит реакция гидрирования остаточных количеств оксидов
углерода до метана и воды. Из метанатор а азотоводородную
смесь при температуре 350 °C пропускают через два нагрева-
теля питательной воды 34 и 35, воздушный холодильник 33 и
с температурой около 40 °C подают во влагоотделитель 21. Из
влагоотделителя чистую азотоводородную смесь под давлением
24-105 Па подводят к центробежному компрессору 22. После
Пой ступени компрессора, около 4% азотоводородной смеси
подают в природный газ перед огневым радиационно-конвек-
тивным подогревателем 2 для обеспечения возможности гидри-
рования органических сернистых соединений. Скомпримирован-
ная до 305-105 Па азотоводородная смесь при температуре око-
ло 40 °C поступает в конденсационную колонну 25, где она
смешивается с циркуляционным газом. Из конденсационной
колонны газ попадает в испарители жидкого аммиака 26, после
прохождения которых температура циркуляционного газа сни-
жается до —10 °C. Охлажденный циркуляционный газ вновь
проходит конденсационную колонну 25, где из него сепариру-
ется аммиак, и направляется в сборник жидкого аммиака 27.
После конденсационной колонны циркуляционный газ проходит
межтрубное пространство выносного теплообменника 30, где
нагревается горячим циркуляционным газом до 186 °C, и за-
тем поступает в колонну синтеза аммиака 31. Из колонны син-
теза циркуляционный газ, в котором содержится около 15%
аммиака, последовательно подают в трубное пространство на-
25
гревателя питательной воды 32, теплообменник 30, блок аппа-
ратов воздушного охлаждения 29 и с температурой околю 40 °C
направляют в сепаратор жидкого аммиака 28. В сепараторе
сконденсировавшийся аммиак отделяется и .направляется в
сборник жидкого аммиака 27, а циркуляционный газ с содер-
жанием аммиака около 11 % поступает в циркуляционный ком-
прессор 24, из которого с давлением .около 305-1О5 Па подает-
ся для смешения со свежей азотоводородной смесью в конден-
сационную колонну 25.
Жидкий аммиак освобождается от растворенных в нем га-
зов (азога, водорода, метана и аргона) и поступает на склад.
Так называемые танковые газы смешивают с продувочными га-
зами петли циркуляции и направляют их либо на сжигание в
трубчатую печь, либо на дополнительное охлаждение для вы-
деления остаточного аммиака, метана и аргона. После этого .ме-
тановую фракцию подают на сжигание в трубчатую печь.
Второй поток природного газа предназначен для сжигания
в трубчатой печи, огневом подогревателе и топках вспомога-
тельного и пускового котлов. В этот поток добавляют также
пары газового конденсата из сепаратора природного газа 1 и
межступенчатых холодильников газового турбокомпрессора 45.
Часть топливного газа напревают .в теплообменнике, уста-
новленном в конвективной части турбчатой печи, до температу-
ры 150 °C и подают для сжигания в сводовые и туннельные го-
релки трубчатой печи и вспомогательные горелки, установлен-
ные в конвективной камере печи.
Другую часть топливного газа сжигают в огневом подогре-
вателе 2, в топках вспомогательного 6 и пускового котлов.
Дымовые газы трубчатой печи и вспомогательного котла
при температуре около 160 °C выбрасываются в атмосферу дву-
мя дымососами 5 через дымовую трубу.
Химически очищенную питательную воду из отделения под-
готовки 38 при температуре около 50 °C и при давлении
5-10® Па разделяют на два потока. Один поток нагревают в
теплообменнике 34 метанатора 36, другой — газовым конденса-
том в теплообменнике 40 и паровым конденсатом в теплооб-
меннике 41. Нагретую до 80 °C воду далее подают в деаэратор
39. После деаэрации питательная вода компримируется насо-
сом 42 до 130-10s Па и тремя потоками направляется на подо-
грев в теплообменник 35 после метанатора 36, в теплообмен-
ник 32 после колонны синтеза 31 и в теплообменник, располо-
женный в конвективной части трубчатой печи.
Далее воду при температуре 295 °C направляют в паросбор-
ник 8. Паросборник соединен с котлами-утилизаторами 12 и 13,
установленными после шахтного реактора 11, и котлом-утили-
затором 16, установленным после конвертора .оксида углеро-
да 15, а также со вспомогательным котлом 6. Водяной пар из
паросборника 8 при температуре 315°C и давлении 105-105 Па
проходит пароперегреватель, установленный в конвективной
26
части трубчатой печи, откуда при температуре 482 °C и давле-
нии 100-105 Па поступает в паровую турбину 23, которая яв-
ляется приводом 'компрессора азотоводородной смеси 22. Пар
от турбины 23 при давлении 40,5-105 Па делится на ряд пото-
ков.
Часть водяного пара при температуре 371 °C идет на сме-
шение с природным газом в смеситель 4 и с технологическим
воздухом в смеситель 44. Оставшийся пар с давлением
40-105 Па подают в ряд турбин, являющихся приводами цент-
робежных компрессоров природного газа 45, технологического
воздуха 43, масляных насосов, насоса питательной воды, насо-
сов раствора моноэтаноламина. Часть водяного пара идет в
деаэрационную установку 39, в абсорбционно-холодильную ус-
тановку, на разгонку раствора моноэтаноламина и газового
конденсата, часть пара отдают в паровые сети комбината.
Сероочистка природного газа
Сернистые соединения для большинства промышленных
катализаторов, в том числе и для применяющихся в аммиачном
производстве, являются сильнодействующими ядами. Наиболее
чувствительны к сернистым соединениям никелевые катализато-
ры паровой трубчатой конверсии метана и низкотемпературной
конверсии оксида углерода, менее чувствительны катализаторы
шахтной конверсии метана и среднетемпературной конверсии
оксида углерода. Метанирование и синтез аммиака располага-
ются в схеме после очистки газа от диоксида углерода, при ко-
торой происходит растворение в применяющихся абсорбентах
оставшихся в газе сернистых соединений. При установлении до-
пустимого содержания серы в перерабатываемом газе ориенти-
руются на катализаторы трубчатой конверсии природного газа
и низкотемпературной конверсии оксида углерода.
Сернистые соединения вызывают также коррозию аппарату-
ры, поэтому стадия сероочистки обычно предшествует всем тех-
нологическим стадиям.
При производстве аммиака основным источником загрязне-
ния технологического газа сернистыми соединениями является
природный газ. Количество сернистых соединений не должно
превышать в сумме 56 мг S/м3, причем меркаптанной серы
должно быть не более 36, сероводорода — не более 20 мг в м3.
В тех случаях, когда природный таз не содержит сернистых
соединений, то их искусственно вводят в газ, чтобы придать
ему специфический запах. В Советском Союзе в качестве одо-
ранта используется этилмеркаптан, который содержит в каче-
стве примесей небольшие количества тяжелых меркаптанов,
сульфидов и дисульфидов (примерно 5% от общего количе-
ства). В этом случае природный газ содержит 16 мг серы/м3
(в пересчете на этилмеркаптан). В зарубежной практике в ка-
честве одоранта применяют также тетрагидротиофен.
27
Возможно попадание сернистых соединений в технологиче-
ский газ из воздуха, который используется на стадии шахт-
ной конверсии метана, если неправильно выбрана точка возду-
хозабора, а на предприятии имеет место загрязнение окружаю-
щей среды. Состав этих соединений серы зависит от конкрет-
ных условий работы на каждом предприятии. Так, на ряде
предприятий, где имеются производства серной кислоты, в тех-
нологическом конденсате обнаруживается ион SO42- (1—2мг/л).
Проекты и технологические регламенты устанавливают допу-
стимые концентрации сернистых соединений в природном газе
н гех оологическом воздухе для крупного агрегата производства
аммиака: 0,5 и 0,05 мг S/м3 соответственно. При этом газ, по-
купающий па низкотемпературную конверсию оксида углеро-
да, будет содержать не более 0,2 мг S/m3.
Сернистые соединения могут быть неорганические и органи-
ческие. Из неорганических сернистых соединений в природном
газе содержится только сероводород.
Содержащиеся в природном газе органические сернистые со-
единения достаточно разнообразны: меркаптаны — метилмер-
каптан CH3SH, этилмеркаптан C2HsSH; тяжелые меркаптаны,
например C6n5SII; оксид-сульфид углерода COS; сероуглерод
CS2; тиофен C4H4S; тетрагидротиофен C4H8S; сульфиды R2S
(например, диэтилсульфид С2Н5—S—С2Н5); дисульфиды R2S2
(например, диэтилдисульфид C2Hg—S—S—C2Hg). Многочис-
ленными исследованиями установлено, что чем выше 'молеку-
лярная масса сернистых соединений, тем труднее они удаляют-
ся из газов. Труднее всего удаляется тиофен, циклическое со-
единение с двумя двойными связями, легче других — этил- и
метилмеркаптаны и сероводород.
Природный газ отечественных месторождений обычно со-
держит сероводород, меркаптаны, сульфиды и дисульфиды,
иногда серооксид углерода. Сульфиды и дисульфиды достаточ-
но легко образуются из меркаптанов, например при транспорти-
ровании газа по трубопроводам. Их содержание обычно невели-
ко и составляет до 3—5 мг S/м3 газа, примерно столько же и
высших меркаптанов. Основная доля серосирганических соедине-
ний приходится на этилмеркаптан.
До недавнего времени использовали природный газ отечест-
венных месторождений, который содержал лишь 1—2 мг/м3 се-
роводорода. После введения в него этилмеркаптана содержание
сернистых соединений не превышало 20—30 мг S/м3. На такое
содержание серы в газе м рассчитаны установки сероочистки
в крупных агрегатах. С вводом в действие Оренбургского газо-
вого месторождения количество серы в газе значительно воз-
росло. На ряде заводов оно составляло 100—200 мг S/м3, а
иногда, достигало 800 мг S/m3.
Основные методы сероочистки природного газа. Легко уда-
ляющиеся из газов сернистые соединения (меркаптаны, серово-
дород, оксид-сульфид углерода) можно практически полностью
28
удалить с помощью твердых поглотителей на основе оксида
цпн-ка. Однако поскольку природный газ содержит также незна-
чительные 'количества тяжелых меркаптанов, сульфидов и ди-
сульфидов (их (концентрация превышает в несколько 1раз до-
пустимую норму 0,5 мг S/m3), газ. перед трубчатой конверсией
подвергают двухстадийной сероочистке. Сначала сероорганиче-
ские соединения гидрируют на 'катализаторе в сероводород, ко-
торый затем связывается поглотителем на основе оксида цинка
[36, 37, 38].
Процесс гидрирования, протекающий при 350—400 °C, можно
описать следующими реакциями:
C2HsSH+H2=H2S + C2He (2.1)
CeH6SH4-H2=H2S + CeHe (2.2)
CHaSC2H6 -р 2Н2 = H2S + СН4 + C2He (2.3)
С2НБ—S—S—С2НБ -р ЗН2 = 2HaS -р 2СвНв (2.4)
CS2 -Р 4Н2 = 2H2S -Р СН4 (2-5)
COS-PH2= H2S-PCO (2-6)
C4H4S + 4Н2 = H2S + С4Н10 (2.7)
В условиях процесса приведенные выше реакции можно счи-
тать необратимыми, и поэтому достигается практически полное
гидрирование.
Образовавшийся сероводород при 380—410 °C поглощается
оксидом цинка:
H2S + ZnO = ZnS + Н2О (2.8)
В интервале температур 200—500 °C реакция практически
необратима, и возможно обеспечить очень высокую степень
очистки газа. Как оксид цинка, так и продукт реакции сульфид
цинка в восстановительной атмосфере очищаемого газа при
400—500 °C вполне стабильны, их термическая диссоциация не
происходит (при 400 °C константа равновесия диссоциации ок-
сида цинка составляет 10-22, a ZnS — 10~15) [39]. При очистке
влажного газа следует учитывать, что может протекать реак-
ция
ZnS + Н2О = ZnO + H2S (2.9)
В условиях очистки природного газа эта реакция практи-
чески не протекает вплоть до соотношения пар : газ = 0,5.
Очищаемый газ почти всегда содержит диоксид углерода,
который не взаимодействует с оксидом цинка, так как уже при
200 °C равновесное давление СО2 над углекислым цинком со-
ставляет 21,6- 10s Па (22 кгс/см2).
Таким образом, указанный способ является весьма надеж-
ным и обеспечивает высокую степень очистки.
29
Этот способ сероочистки целесообразно применять тогда,
когда природный газ содержит незначительное количество сер-
нистых соединений: 50—100 мг S/м3. При этом в сравнительно
небольших аппаратах можно обеспечить работу поглотителя
без перегрузки до двух лет.
Отработанный поглотитель не регенерируют, хотя регенера-
ция его возможна, метод регенерации разработан и проверен в
промышленных условиях. Он заключается в окислении возду-
хом серы, поглощенной поглотителем, и удалении его с газовым
потоком в виде SO2 {36].
В тех случаях, когда природный газ содержит более 80—
100 мг S/м3 сернистых соединений, применяют либо цеолитный,
либо абсорбционный методы сероочистки. Оба эти метода на-
шли промышленное применение. Адсорбционное сероудаление
проводится на цеолитах и активированном угле. В Советском
Союзе применяют цеолитную сероочистку. Свойства цеолитов,
их синтез описаны в [40].
Цеолиты — это алюмосиликатные адсорбенты кристалли-
ческой структуры. В кристаллической решетке цеолитов часть
ионов Si4+ заменена ионами А13+. Вследствие этого решетка об-
ладает некоторым отрицательным зарядом, частично он компен-
сируется введением катионов, таких как Йа+, Са2+ и др. Син-
тезируются цеолиты различных форм с разным соотношением
кремния и алюминия, количеством и зарядом катионов и отли-
чающиеся типом кристаллической решетки. В общем виде хи-
мическая формула цеолита имеет следующий вид: М2/ИОХ
XAl2O3-xSiO2-z/H2O, где М — катион с валентностью п.
Характерной особенностью цеолитов является наличие отно-
сительно больших полостей (пустот) между элементами, обра-
зующими кристаллическую решетку, внутри элементов имеют-
ся малые полости, в большие полости ведут окна. Молекулы,
размер которых меньше окон, проникают в полости кристал-
лической структуры и задерживаются в ней (адсорбируются).
На адсорбцию оказывает существенное влияние размер, заряд,
количество и расположение катиона. Т. е. адсорбция связана с
величиной 'объема адсорбционного пространства и характером
электрического поля в больших полостях цеолита. Размер кри-
сталлов цеолитов измеряется в микронах (микрометрах). На
практике цеолиты применяют в виде гранул, которые специаль-
но формуют, при этом они приобретают вторичную пористую
структуру. Размер гранул дромышленных цеолитов составля-
ет 3—10 мм.
Цеолиты можно легко и быстро регенерировать. Для регене-
рации используют чистые газы, не содержащие удаляющихся
примесей и не адсорбирующиеся цеолитом (выдувание), или
материалы, которые лучше поглощаются цеолитом, чем те, от
которых проводится очистка, и которые могут быть потом уда-
лены при нагревании (вытеснение), например, водяной пар,
пары органических жидкостей.
30
Для адсорбции сернистых соединений самой подходящей
маркой цеолитов является NaX (зарубежный аналог 13Х), не-
сколько хуже — СаХ (зарубежный аналог 7Х). Активность цео-
лша СаХ по этилмер,каптану на 25—30% ниже, чем NaX. Цео-
литы способны адсорбировать сероводород, .меркаптаны и дру-
। иг сернистые соединения и даже тиофен. Полная адсорбцион-
ная емкость цеолита NaX по этилмеркаптану составляет
0,19 кг/кг, по сероводороду 0,17 кг/кг. Очистку газов цеолитами
проводят при температуре окружающей среды, процесс тем
эффективнее, чем ниже в газе содержание примесей, способных
адсорбироваться наряду с сернистыми соединениями.
В зависимости от условий очистки можно достичь разной
с I епени удаления сернистых соединений, цеолиты марки NaX
могут обеспечить практически 100%'ную очистку газа от серо-
водорода и меркаптанов.
Процессы адсорбционной очистки газов являются периодиче-
скими, они (включают циклы адсорбции, регенерации и охлаж-
дения. Регенерацию проводят при 350—400 °C продувкой через
цеолиты газа, не содержащего сернистых соединений, таковым
может быть азот или очищенный природный газ. На |регенера-
цню обычно расходуется 5—7% от объема очищенного газа.
I предложен также способ регенерации цеолита промывкой рас-
ширителем, например раствором C.S2 в SC12 (в отношении 1:1).
Абсорбционные методы сероочистки основаны на способно-
сти ряда жидких соединений или растворов сорбировать сер-
нистые соединения, возможна как хемосорбция, так и физиче-
ская абсорбция. Хорошо поглощают сернистые соединения рас-
гворы аминов, щелочей, а также такие органические раствори-
тсли, как метилпирролидон, трибутил фосф ат, керосин и др.
Схемы абсорбционной сероочистки включают в себя стадии
абсорбции и регенерации, они достаточно подробно описаны
в литературе [36, 41].
В крупных агрегатах производства аммиака применяют
двухступенчатую очистку, поэтому основное внимание будет уде-
лено этой схеме.
Катализаторы гидрирования сероорганических соединений.
Наиболее распространенными для процесса гидрирования яв-
ляются алюмокобальтмолибденовые (АКМ) и алюмоникельмо-
лнбденовые (АНМ) катализаторы [38, 42]. Катализаторы явля-
ются наносными, в качестве носителя используется активный
оксид алюминия'—структурообразующее вещество, обеспечи-
Ш1 ющее развитую активную поверхность. Кроме того, использо-
вание носителя делает возможными сравнительно невысокие
концентрации активных гидрирующих компонентов (никеля и
кобальта) в катализаторах, которые весьма дефицитны и до-
|юги. Реакции гидрирования сероорганических соединений, сум-
марно описываемые приведенными выше уравнениями, на прак-
!пке протекают по более сложному пути через ряд промежуточ-
ных стадий при 350—400 °C, при этом они являются практиче-
31
ски необратимыми, и поэтому можно достичь полного превра-
щения серо-органических соединений в сероводород.
Гидрирование происходит на катализаторе в сульфидиро-
ванном состоянии.
Сульфидирование катализаторов осуществляют либо специ-
ально, либо оно проходит в процессе очистки. Катализаторы по-
глощают 4—6% серы от их массы. При этом могут образовы-
ваться следующие сульфиды NiS, NisS2, CosS8, CoS, CoGSs
и др. Обычно сера растворяется в сульфидах, образуя
пиротины. Установлено, что в реакциях гидрирования каталити-
ческие свойства обусловливаются наличием сульфидов или пи-
ротинов.
В ряде случаев промышленностью выпускаются сульфидиро-
ванные или частично сульфидированные катализаторы. В про-
цессе очистки сульфидирование начинается имеющимся в газе
сероводородом и проходит полностью за счет выделяющегося
при гидрировании H2S. В связи с этим в первый период очист-
ки катализаторы гидрирования поглощают практически всю
серу, содержащуюся в очищаемом газе. Процесс сульфидиро-
вания обратим: при изменении соотношения водорода и сернис-
тых соединений в реакционной смеси из катализаторов может
выделяться сера. Состав катализатора определяется условиями
равновесия систем Me—S—Н2 пли МеО—S—Н2 [36].
Давление ускоряет процесс гидрирования примерно в степе-
ни 0,5—0,6. В промышленности процесс проводят при давле- *
ниях от атмосферного до 40-105 Па в крупных агрегатах (30—
—40)-10s Па.
В табл. 2.1 приведены основные характеристики промыш-
ленных отечественных катализаторов и катализатора С-49 фир-
мы ССЕ, применяемых в СССР в крупных агрегатах производ-
ства аммиака.
Об активности катализаторов при промышленной эксплуата-
ции и во время их испытаний в лабораторных условиях судят
по степени превращения органических сернистых соединений в
сероводород. Алюмоникелевый катализатор имеет более высо-
кую активность (на 15—20%) и более развитую удельную по-
верхность (в 1,3—1,5 раза) по сравнению с алюмокобальтмо-
лпбденовым, но несколько повышенный насыпной вес. Вследст-
вие отсутствия в нем дорогостоящего и дефицитного кобальта
его стоимость на 25% ниже. Катализаторы выпускаются как в
таблетированном, так и в формованном виде.
Способ приготовления отечественных алюмокобальтмолибде-
нового и алюмоникельмолибденового катализаторов заключает-
ся в следующем. Первоначально путем сернокислотного (или
азотнокислотного) осаждения готовят гидроксид алюминия
(«холодное» и «горячее» осаждение), затем осадок выделяют
и пропитывают растворами нитрата кобальта (или нитрата ни-
келя) и молибдата, аммония с последующими формованием»
сушкой и прокаливанием гранул.
32
Таблица 2.1. Основная характеристика катализаторов
Показатель Катализатор
АКМ АНМ С-49
Размер гранул, мм 4,8—5,0 * 4,8—5,0
диаметр 3
высота Содержание оксидов, % 4—7 4—5 3—8
СоО 4 — 3,8—4,0
NiO —. 9—10 —.
М0О3 12,0 12,0 24,0
Насыпная масса, кг/м3 640—740 840—870 660
Удельная поверхность, м?/кг, не ме- нее 100.10» 140.10s 150-10s
Индекс прочности на раскалывание, кг/мм диаметра гранулы, не менее 1,1 1,2 —
Содержание пыли н крошки, %, не более Прочность на раздавливание, кг/мг-10-5 2,5 2,5
средняя по торцу 63 68 —
средняя по образующей 24 27 69
Относительная активность* по обес- сериванию, % 50—60 60—70 60
• Определения выполнены иа лабораторной динамической установке при 200 °C, объ-
емной скорости 5000 ч-1, Содержании сернистых соединений 200—250 мг S/м3, водоро-
да 5%.
Для гидрирования в газ дозируют водород (от 1—2% до
10%). Скорость гидрирования увеличивается с повышением кон-
центрации водорода. При производстве аммиака для гидриро-
вания обычно используют азотоводородную смесь. В газе, яв-
ляющемся источником водорода, не должно содержаться более
5% оксидов углерода, поскольку последние на .катализаторах
могут гидрироваться до метана, что ведет к увеличению расхо-
да водорода и повышению температуры. Если в очищаемом га-
зе присутствуют предельные углеводороды и низшие олефины,
то появляется опасность зауглероживания катализатора. В этом
случае количество подаваемого водорода необходимо увеличить
до 15—17%. Концентрацию водорода повышают также иногда
при значительном содержании в очищаемом газе сероорганиче-
ских соединений, так как образующийся сероводород тормозит
процесс гидрирования.
Эти же катализаторы применяются в схемах производства
аммиака, где в качестве исходного сырья используются жидкие
углеводороды. Их очистку проводят при тех же условиях в па-
ровой фазе, в этом случае катализаторы постепенно .зауглеро-
живаются, сокращается их срок службы. Разработаны и. при-
меняются методы регенерации контактов, которые заключаются
в выжигании углерода.
3—831
33
Для обеспечения устойчивой работы /катализаторов гидриро-
вания необходимо выполнять необходимые требования при их
хранении, транспортировании и загрузке. Желательно, чтобы
очищаемый газ был хорошо отсепарирован для уменьшения
возможности зауглероживания катализатора. С той же целью
не рекомендуется, чтобы температура в слое катализатора была
выше 450 °C.
Катализаторы гидрирования весьма устойчивы, при проекти-
ровании крупных агрегатов исходят из срока их службы 4—
5 лет, причем удельный расход на тонну аммиака! составляет
0,015—0,02 кг. Катализаторы должны обеспечивать практиче-
ски 100%-ную степень гидрирования непоглощаемых оксидами
цинка сернистых соединений. Опыт эксплуатации крупных агре-
гатов производства аммиака свидетельствует о том, что ката-
лизаторы полностью удовлетворяют предъявляемым к ним тре-
бованиям. Ни в одном из действующих в Советском Союзе
крупных агрегатов они не перегружались ранее, чем через 5—
6 лет с начала их эксплуатации, а во многих случаях они ра-
ботают более длительно. В 'случае, если очистке подвергаются
нафта или другие жидкие углеводороды, срок службы катали-
затора сокращается до 2—3 лет, что связано с дезактивацией
катализатора вследствие зауглероживания. В этом случае воз-
можна регенерация катализатора воздухом при 400—450 °C.
' Поглотитель сернистых соединений. Для поглощения серо-
водорода, образующегося при гидрировании сероорганических
соединений, используют оксидно-цинковые поглотители [36, 38,
42]. Они хорошо поглощают сероорганические соединения —
Этилмеркаптан, оксид-сульфид углерода, хуже сероуглерод, при
этом протекает ряд сложных химических превращений [43].
Основными характеристиками поглотителя являются его серо-
емкости — статическая и динамическая. Статическая сероем-
кость — это полная сероемкость, т. е. количество серы в % от
массы поглотителя, поглощенное после установления одинако-
вой концентрации сернистых соединений до и после поглотите-
ля. В промышленных условиях основной характеристикой сле-
дует считать динамическую сероемкость, т. е. количество по-
глощенной серы до проскока, пока обеспечивается требуемая
степень очистки, в условиях крупного агрегата — это остаточ-
ная концентрация серы 0,5 мг S/m3.
С помощью сероводорода, меченого радиоактивной серой,
было установлено [36], что он поглощается таблеткой или гра-
нулой из оксида цинка постепенно от периферии к центру.
В таблетке имеется отчетливая граница, отделяющая ZnS от
не принявшего участия в реакции ZnO. На основании получен-
ных результатов были сделаны следующие выводы: скорость
поглощения лимитируется диффузией сероводорода через хими-
чески инертную область ZnS; на поверхности чистого ZnO в
весьма узкой зоне таблетки протекает чрезвычайно быстрая хи-
мическая реакция (ZnO+H2S = ZnS+H2O); концентрация
34
H2S на границе между чистой и отработанной областями таб-
летки вследствие практической необратимости реакции близка
к нулю.
Поскольку химическая реакция протекает на поверхности
чистого оксида цинка, концентрация последнего остается по-
стоянной и, следовательно, кинетическое уравнение для процес-
са поглощения может быть записано в виде
Г = (2.10)
где W— скорость реакции; К— константа скорости; С — мольная концент-
рация сероводорода. Порядок реакции п на основании литературных данных
может быть принят близким к .единице.
Процесс поглощения серы таблеткой может быть описан
следующим образом.
Диффузия через инертную область
dc/dt=DbC (2.11)
где D — эффективный коэффициент диффузии; Д — оператор Лапласа.
Процесс на поверхности зерна определяется подводом веще-
ства из внешнего потока
Р (Сда - Cs) = -D [grad C]s (2.12)
где P — коэффициент массоотдачи; Cs — концентрация сероводорода на по-
верхности зерна поглотителя; Ст — концентрация сероводорода в ядре по-
тока; [grad C]s — градиент концентрации серы на поверхности таблетки.
Внешняя диффузия определяет подвод вещества к поверхно-
сти только в начальный период, пока не образовался слой ZnS.
В дальнейшем процесс лимитируется внутренней диффузией, и
Cco^Cs. В общем случае концентрация в ядре потока — функ-
ция времени, т. е.
При этом на внутренней границе слоя сульфида цинка
С=0 (2.13)
В простейшем случае (сферическое зерно) задача сводится
к решению дифференциального уравнения
с граничными условиями
Z = 0 С=0
t > 0 г= R
дс
r=r* С=0 -D-^=P(C„-CS)
где г—положение границы между ZnO и ZnS; R — диаметр гранулы.
Значение г* является функцией времени.
Решение задачи облегчается, если представить, что процесс
протекает через серию стационарных состояний при каждом
значении г, т. е. dc!dt=G.
3*
35
В результате соответствующих преобразований получаем
Ry 22,4Р0Т
1 ~ з^р • РТ0 х
где у — кажущаяся плотность таблетки; р. — мольная масса оксида цинка;
y=r*R, PQ, Р, То, Т—относятся к сероводороду, поглощающемуся оксидом
цинка.
Это уравнение приближенно устанавливает зависимость по-
ложения границы отработанной зоны таблетки от времени.
Из уравнения легко можно получить зависимость сероемко-
сти таблетки от времени контакта с очищенным газом. При
что возможно в практических условиях, уравнение уп-
рощается и принимает вид
R*y 22,4Р0т г, .....
|я1 бОС^Щ ’ РТ0 [1 — i/ (3— 2г/)1 (2,16)
При г/=0, граница достигает центра зерна, и оно полностью от-
рабатывается. Время полной отработки зерна равно:
7?2у 22,4Р0Т
п - 6DCxIh • PTm
(2.17)
Таким образом, количество вещества, поглощаемое в едини-
цу времени таблеткой оксида цинка, пропорционально поверх-
ности границы раздела между отработанной и неотработанной
зонами таблетки. Эта поверхность с течением времени умень-
шается, и наблюдаемая скорость процесса убывает, стремясь
при t=tn к нулю. Одновременно снижаются интенсивность ис-
пользования единицы объема слоя поглотителя и его средняя
сероемкость, так как проскок сернистых соединений через слой
очистной массы наблюдается прежде, чем вступает в реакцию
оксид цинка вблизи центра таблетки. Увеличить степень ис-
пользования оксида цинка, повысить среднюю сероемкость слоя
возможно, применяя, например, кольцевидные таблетки.
Расчет показал, что наблюдаемая средняя скорость реакции
для слоя из полых таблеток почти в три раза выше, чем для
слоя из сплошных таблеток.
Таким образом, при проведении процесса очистки в про-
мышленности не удается полностью насытить серой все зерно
поглотителя. Величина сероемкости находится в прямой связи
с величиной его удельной поверхности, пористости и размером
гранулы (табл. 2.2).
Величина удельной поверхности оксида цинка определяется
способом его приготовления. Наибольшей поверхностью облада-
ет оксид цинка, получающийся прокаливанием карбоната цин-
ка, меньшей — оксид цинка, полученный разложением гидро-
Таблица 2.2. Зависимость сероемкости от удельной поверхности
и размера зерна цинкового поглотителя
Удельная поверхность, м2/кг Размер таблетки, мм Сероемкость при 400 °C, % (масс.) Удельная поверхность, м2/кг Размер таблетки, мм Сероемкость при 400 °C, % (масс.)
32,8-103 5x5 32,0 22-10» 2,5x2,5 24
26,9-10» 5x5 21,9 22-10» 5X5 18
6,6-Ю3 5X5 1,7 22-103 8X5 15
оксида цинка, и, наконец, полученный высокотемпературным
окислением .металла. Частичный или полный переход неактив-
ного оксида гили гидроксида цинка в карбонат может осущест-
вляться при их специальной обработке аммиачпо-карбонатным
раствором. ,
В промышленности обычно применяют поглотители с разме-
ром гранул 5X5 мм, пористостью около 50% и насыпной мас-
сой около 1,5-103 кг/м3. i
Указанные свойства катализатора и его сероемкость до не-
которой степени находятся в противоречии. Сероемкость тем
выше, чем больше насыпная масса поглотителя, так как в этом
случае в единице объема содержится большая масса ZnO и,
следовательно, тем больше может поглотиться серы. С другой
стороны, при этом, как правило, ниже пористость и сере труд-
нее проникнуть в глубину зерна, меньше динамическая емкость.
В прямой связи с пористостью находится его механическая
прочность, которая во многом определяет срок службы катали-
затора, величину сопротивления слоя поглотителя и др. В про-
цессе поглощения серы происходит упрочнение поглотителя.
Прочность исходного поглотителя не очень высока и поэтому
очень важно аккуратно загрузить поглотитель в аппараты.
Поглотители сернистых соединений готовятся таблетирова-
нием оксида цинка. Причем очень часто, особенно зарубежны-
ми фирмами, используют так называемый активный оксид цин-
ка, который получают от специальных поставщиков.
В Советском Союзе получение оксида цинка в некоторых
случаях входит в технологический процесс производства погло-
тителя. Оксид цинка, получаемый разложением гидроксида,
смешивают с графитом (1,5%) и водой (5%), проводят уплот-
нение массы и таблетирование.
В тех случаях, когда сырье (оксид цинка) имеет незначи-
тельную удельную поверхность, проводят его карбонизацию —
обработку аммиачно-карбонатным раствором. В этом случае в
результате «активации» удается получить поглотитель, имею-
щий поверхность более 25-103 м3/кг и сероемкость 25—30%.
Неблагоприятно наличие примесей в сырье, применяющемся
для изготовления поглотителя марки ГИАП-10, так как в каче-
стве сырья используют отходы производства гидросульфита нат-
рия. В результате содержание основного вещества в поглотите-
36
37
Таблица 2.3. Основные характеристики поглотителей ГИАП-10 и С-7-2
Показатель ГИАП-10 С-7-2
Форма Размер гранул, мм диаметр высота Насыпная масса, 103 кг/м3 -Средняя прочность на раздавливание, 104 кг/мг, не ниже по торцу по образующей Пористость, % Ю5 м3/кг Удельная поверхность, 103 м2/кг Сероемкость* Содержание основного вещества (ZnO) в прока- ленном веществе, %, не менее Таблетки 5 5 1,5—1,8 150 30 40—50 0,21—0,22 25—30 24—28 94 Гранулы 4—5 4—6 1.3—1,4 40—45 25—30 40—55 0,30—0,31 24—32 28 80—85
* Для определения ссроемкости поглотителей в лабораторных условиях используют уско-
ренный метод, который заключается в следующем. Поглотитель (целые гранулы, 10 г)
обрабатывают при 400 °C парами сероуглерода до полного насыщения. Сероемкость опре-
деляют по количеству сульфидной серы в поглотителе (разложением соляной кислотой).
ле не превышает 94—95%, поскольку он уже в исходном со-
стоянии содержит некоторое количество серы.
В табл. 2.3 приведены основные характеристики поглотите-
лей отечественного промышленного ГИАП-10 и С-7-2 фирмы
ССЕ, используемого у «ас в ряде крупных агрегатов.
Очистку газа в промышленности на оксидноцииковых погло-
тителях проводят при 400 °C, объемной скорости 600—1500 ч-1,
при давлении от атмосферного до 40-105 Па. Однако давление
на процесс хемосорбции влияния не оказывает.
Адсорбционную очистку рекомендуется проводить в двух по-
следовательно работающих аппаратах, что позволяет полностью
использовать емкость поглотителя по сере и обеспечивает высо-
кую степень очистки газа. Когда степень очистки достигнет оп-
ределенного значения (0,5—3 мг/м3) в первом по ходу газа
аппарате, его отключают. Второй аппарат становится в положе-
ние первого, а последовательно к нему подключают аппарат со
свежим поглотителем. Значение сероемкости поглотителя в пер-
вом по ходу газа адсорбере до проскока и характеризует дина-
мическую емкость, которая зависит также от условий очистки.
Это особенно заметно при увеличении в газе количества серни-
стых соединений до 100 мг S/м3 и более. В этом случае сероем-
кость увеличивается при снижении объемной скорости. Поэтому
значительно выиграли схемы очистки в отечественных агре-
гатах, в 1которых ниже объемная скорость на стадии поглоще-
ния. Динамическая сероемкость поглотителя ГИАП-10 колеб-
лется в зависимости от перечисленных условий от 12 до 25%
(см. данные, приведенные в табл. 2.4).
38
Время работы поглотителя можно рассчитать по формуле
GS-107
час
(2.18)
где G— масса хемсорбента, т; V —расход природного газа, м3/ч; а — сред-
нее количество HjS, поступающее в аппарат сероочистки до возникновения
проскока (0,5 мг S/м3), мг S/м3; S — сероемкость до проскока (0,5 мг
S/м3), для объемной скорости до 700 ч-1 составляет 18%, для объемной скоро-
сти 700—1200 ч-1—15%; Ю7 — коэффициент пересчета.
При нагревании поглотителя выше 500—550 °C снижается'
его активность, что связано с изменением структуры оксида
цинка: уменьшением дисперсности, пористости и удельной по-
верхности поглотителя.
При хранении, транспортировании и загрузке поглотителя
необходимо соблюдать все разработанные требования. При
этом надо особо обратить внимание на то, что прочность погло-
тителя не высока по сравнению с другими катализаторами, и
поэтому с ним надо обращаться особенно аккуратно. Не допус-
кается попадание влаги на поглотитель, так как при этом его
прочность значительно снижается. При выгрузке отработанного
поглотителя необходимо учитывать, что он пирофорен, и поэто-
му в газе, попадающем на поглотитель с температурой более
80 °C, не должно содержаться более 0,5% кислорода.
Поглотитель ГИАП-10 можно регенерировать, после чего ис-
пользовать повторно без выгрузки из аппарата. Регенерация
заключается в окислении сульфида цинка кислородом при
500—550 °C, при этом в газовую фазу выделяется SO2. Процесс
регенерации сильно экзотермичен, и во избежание резких подъ-
емов температуры концентрация кислорода в начале регенера-
ции должна быть не более 0,5%. Объемная скорость дутья при
регенерации обычно составляет 1000—2000 ч-1, причем направ-
ление дутья и газа через поглотитель в процессе очистки про-
тивоположны. Регенерированный поглотитель имеет сероем-
кость на 2—-3% ниже, чем свежий, а степень очистки газа
регенерированным поглотителем такая же, как и свежим. По-
скольку в процессе регенерации выделяется SO2, который нель-
зя выбрасывать в атмосферу, в промышленности регенерацию
поглотителя проводят в крайних случаях.
В табл. 2.4 приведены результаты эксплуатации поглотите-
ля ГИАП-10 в отечественных и импортных агрегатах в зависи-
мости от содержания серы в очищаемом газе.
Поглотитель С-7-2 применяли только для очистки газа с
низким содержанием серы, и поэтому таких данных для него
не имеется. Однако эксплуатация поглотителя С-7-2 в импорт-
ных агрегатах показала, что при увеличении содержания сер-
нистых соединений в природном газе до 70—ПО мг S/м3 (после
работы в течение 17 мес. на газе с 10—25 мг S/м3) проскок по-
явился через 2 месяца. При очистке газа с содержанием серы
5—50 мг S/м3 проскок был зафиксирован через 14 мес.
39
Таблица 2.4. Результаты эксплуатации поглотителя ГИАП-10
Условия очистки Сероемкость (динамическая) поглотителя в 1-ом1 адсорбе- ре, %
Агрегат объемная скорость, содержание сернистых со- единений в очи- щаемом газе, мг S/m3 Время работы до проскока се- ры через 1-ый адсорбер, мес.
Отечественный «Импортный 650 1150 0—40 35—200 180—240 25—50 50—200 180—240 Более 24 18 6 20 3,5—4,5 3 25 23,5 14 12
Таким образом, отечественный поглотитель ГИАП-10 обес-
печивает высокую степень очистки и имеет высокую сероемкость
при содержании сернистых соединений в очищаемом газе до
40 мг S/m3. Он хорошо работает и при высоком содержании сер-
нистых соединений при объемной скорости 650 ч-1.
В дальнейшем планируется выпускать часть поглотителя в
формованном виде, в этом случае удается несколько повысить
его емкость (~до 28%), особенно для очистки природного газа
с повышенным содержанием серы при объемной скорости
1000—1500 ч-1.
С точки зрения дальнейшего развития и увеличения произ-
водства оксидноцинкового поглотителя заслуживает внимания
вопрос регенерации поглотителя с целью его повтор,ного ис-
пользования. Методика регенерации проходит в настоящее вре-
мя промышленную проверку.
Технологическая схема двухступенчатой сероочистки природ-
ного газа в крупном агрегате. На сероочистку (рис. 2.2) при-
родный газ поступает после второй ступени компрессора, где
сжимается до давления 43-103 Па. К сжатому газу с температу-
рой около 150 °C примешивают синтез-газ, отбираемый со всо-
Рис. 2.2. Схема двухступен-
чатой сероочистки природ-
ного газа;
I — сепаратор; 2 — компрес-
сор; 3 — подогреватель; 4 —
реактор гидрирования; 5 —
адсорберы.
40
са П-ой ступени .компрессора синтез-газа. Содержание водорода
в смеси составляет 0,125 молей на .моль природного газа или
10% (объем».). Газовая смесь направляется в змеевики огне-
вого подогревателя 3, где нагревается до 370—400 °C за счет
тепла сжигания топливного газа в специальных горелках. На-
личие такого подогревателя позволяет осуществить пуск и на-
лаживание работы узла сероочистки независимо от работы
всей системы.
Нагретый газ поступает в контактный аппарат 4, в котором
на алюмокобальтмолибденовом или алюмоникельмолибденовом
катализаторе при 400 °C и объемной скорости 1000—2000 ч-1
проходит гидрирование сероорганических соединений, образует-
ся сероводород. Свежий катализатор поглощает сероводород,
т. е. происходит его сульфидирование, количество поглощенной
серы соответствует термодинамическому равновесию, на прак-
тике это составляет 4—6% серы от веса катализатора. Содер-
жание сернистых соединений после катализатора сначала рав-
но нулю, потом постепенно увеличивается и в момент насыще-
ния количество серы в газе до и после катализатора становится
одинаковым. При изменении условий очистки (температура,
состав газа) возможно выделение части поглощенной серы или
наоборот дополнительное поглощение.
Сероводород поглощается юксидноцинковым поглотителем в
двух адсорберах 5. В схеме предусмотрено подключение адсор-
беров как на параллельную, так и на последовательную работу.
Обычно адсорберы работают последовательно. При этом погло-
щение серы осуществляется в первом по ходу газа аппарате.
Когда в газе после первого абсорбера появляется сероводород
и его концентрация достигает определенной величины (0,5—
3 мг S/m3), его отключают и перегружают поглотитель. Вто-
рой аппарат подключают первым по ходу газа, а во время пе-
регрузки поглотителя он работает один, а затем вторым по ходу
газа включают аппарат со свежим поглотителем. Такая система
подключения аппаратов позволяет, как указано выше, наиболее
полно использовать поглотитель и обеспечить надежную и глу-
бокую очистку газа, при этом содержание сернистых соедине-
ний в очищенном газе не превышает 0,5 мг S/m3.
На газовых линиях после каждого абсорбера имеются свечи
с вентилями для сброса при необходимости газа в атмосферу.
Аппараты, применяющиеся для двухступенчатой сероочист-
ки. Гидрирование и поглощение сернистых соединений осущест-
вляют в аппаратах аксиального типа Для гидрирования при-
меняют аппараты, в которых катализатор располагают двумя
слоями (рис. 2.3), что обусловлено невысокой прочностью про-
мышленных катализаторов и необходимостью обеспечения пе-
регрузки части катализатора (первой по ходу газа полки).
Верхний слой катализатора располагают на колосниковой ре-
шетке, на которую предварительно укладывают два слоя метал-
лической сетки. Нижний слой катализатора помещают на ко-
41
Рис. 2.3. Аппарат гидрирования:
/—’горловина реактора; 2, 5, 6 — катализатор; 3— колосниковая решетка; 4—загрузоч-
ный люк; 7 — выходной штуцер; 8, 9, 10 — разгрузочный люк.
Рис. 2.4. Шахтный адсорбер:
1 — горловина, загрузочное отверстие; 2 — катализатор; 3 — слой шаров; 4, 5 — штуцеры
для выгрузки катализатора.
лесниковой решетке или на слое шаров, уложенных на дне ап-
парата. На катализаторы (в обоих слоях) укладывают сетки, а
сверху — слой корундовых шаров или металлических колец Ра-
шита. Катализатор загружают и выгружают через специальные
люки, верхний слой в некоторых конструкциях — через входной
патрубок. Нижний разгрузочный люк предназначен для выгруз-
ки шаров в случае загрузки нижней части по принципу шахт-
ного аппарата. На верхней полке в некоторых конструкциях
монтируется центральная перфорированная труба, которая под-
нимается кверху при разгрузке аппарата и разрыхляет его слой
для облегчения выгрузки. В аппарат загружается 35—45 м3 ка-
тализатора.
Поглощение сероводорода осуществляют либо в двухполоч-
ном аппарате, аналогичном по конструкции каталитическому
реактору (см. рис. 2.3) или в аппарате шахтного типа (рис. 2.4).
В этом случае катализатор запружают одним слоем на шары
из глинозема или другого материала, находящиеся в нижней
части аппарата. На слой шаров помещают сетки, на которые
засыпают поглотитель. Загружают поглотитель через горловину
аппарата, выгружают — через нижний центральный штуцер
после освобождения нижней части адсорбера от шаров, которые
высыпают через специальный штуцер в днище аппарата. В свя-
зи с тем, что в крупных агрегатах производства аммиака (им-
портных и отечественных) очистку проводят при двух объем-
ных скоростях (650 и 1100 ч-1), адсорберы могут быть различ-
ными по размеру и количеству загружаемого поглотителя
(31,5 м3 и 61 м3 соответственно). В первом случае применяют-
ся шахтные .аппараты, во втором — полочные.
42
Для вновь проектирующихся агрегатов разрабатываются ап-
параты радиальной конструкции. Подробно характеристики и
особенности радиальных и аксиальных аппаратов будут рас-
смотрены в главе, посвященной конверсии оксида углерода.
Цеолитная сероочистка природного газа. Метод очистки при-
родного газа от сернистых соединений с помощью цеолитов
основан на их способности адсорбировать с высокой избира-
тельностью полярные соединения, какими являются соединения
серы, из неполярных — в данном случае природного газа.
Сорбцию осуществляют при температуре, близкой к комнат-
ной. После насыщения цеолитов сернистыми соединениями их
регенерируют при 300—400 °C. Для сероочистки, как указано
выше, используют цеолит марки NaX, который имеет приблизи-
тельно следующий состав ПагО-АКОз- (2,5—3,5)SiO2. Его удель-
ная поверхность колеблется от 800 до 1000 м2/г, диаметр пор
равен 11-10 8 М, насыпная масса составляет (0,6—0,65) X
X Ю3 кг/м3. Статическая сероемкость цеолитов колеблется от
15 до 25%, емкость до проскока (динамическая) в зависимо-
сти от объемной скорости и давления составляет лишь 1—5%.
Процесс очистки газа на цеолитах включает три стадии: аб-
сорбцию, нагрев и регенерацию, охлаждение. Оптимальным со-
отношением продолжительности этих стадий считается 2:1: 0,5.
Однако не всегда удается соблюсти указанное соотношение и
ограничиться периодической эксплуатацией двух аппаратов.
Чаще устанавливают три аппарата, а иногда их число достига-
ет шести.
На установках, извлекающих большое количество серы, газы
регенерации направляются в аппараты Клаусса для выделения
серы. В большинстве случаев она сжигается.
Для регенерации цеолитов используют азот или очищенный
газ. Количество газа, расходующегося на регенерацию, состав-
ляет 5—10% от объема газа, подаваемого на очистку. Темпе-
ратура регенерации постепенно увеличивается до 350—400 °C.
Основная масса серы (65%) выделяется при 120—200 °C.
Рис. 2.5. Схема цеолитиой
сероочистки:
/ — сепаратор; 2 — адсорбер
в режиме очистки; 3 — ре-
юрвный адсорбер; 4 — адсор-
бер в .режиме регенерации;
[ <И — открытый вентиж
—закрытый вентиль.
43
На рис. 2.5 представлена принципиальная схема цеолитной
сероочистки природного газа. Объемная скорость газа 500—
5000 ч-1. Степень очистки определяется нагрузкой по газу и
содержанием в нем сернистых соединений. Срок службы цео-
литов составляет 1—2 г. Объемная скорость обусловливается
степенью очистки газа, условиями очистки (продолжительность
циклов) и др.
Процесс очистки газа синтетическими цеолитами осущест-
вляют в промышленности как в полочных, так и в радиальных
аппаратах.
Двухступенчатая паровоздушная конверсия
(риформинг) природного газа
Физико-химические основы процесса конверсии
углеводородных газов
4 Паровая и пароуглекислотная конверсия метана в труб-
чатых реакторах с достаточной для технологических целей точ-
ностью может быть описана следующими стехиометрическими
уравнениями реакций окисления
СН44-Н2О СО + ЗН2—206,41 кДж
СН4 + СО2 2СО + 2Н2 — 248,28 кДж
СО + Н2О СО2+Н2 +41,03 кДж
(2-19)
(2.20)
(2.21)
Реакция окисления гомологов метана 'протекает аналогично,
взаимодействие их с водяным паром может быть в общем виде
выражено уравнением
2п 4-т
СпНт + Н2О пСО + —J— Н2 — Q
(2.22)
Состав технологического газа определяется равновесием
одновременно протекающих независимых реакций (уравне-
ния 1.19—1.21). Выбор окислителей и соотношение (Н2О+СО2)
и метана в исходной смеси, влияющее на равновесие реакции,
определяются требованиями к составу технологического газа.
При получении технологического газа для синтеза аммиака
конверсию ведут в две стадии. В трубчатом реакторе происхо-
дит взаимодействие углеводородов с водяным паром, причем
выбирают такие условия, чтобы содержание остаточного мета-
на в сухом конвертированном газе составляло 8—10%.
В шахтном реакторе проводят вторую стадию — конверсию
метана водяным паром и кислородом воздуха. При этом весь
кислород реагирует в свободном объеме аппарата с водородом,
метаном и оксидом углерода. “Т)
Суммарное тепло, выделяющееся в результате реакций,
должно быть достаточным для протекания эндотермической
44
JPuc. 2.6. Зависимость концентрации остаточного метана при каталитической конверсии
метана водяным паром от отношения Н2О : СН4 при различных давлениях (Па) ((=827 °C):
1 — 1010s; 2 —20-Ю5; 3 — 30-105.
Рис. 2.7. Зависимость состава сухого конвертированного газа при каталитической конвер-
сии метана водяным паром от температуры при 30-10s Па н соотношении Н2О : СН4=4 :1.
реакции оставшегося метана с водяным паром по уравнению
(2.19). Количество воздуха, подаваемого в шахтный реактор,
подбирают из расчета получения технологического газа с отно-
шением (CO-j-Ha) : N2=3,05—3,1 и конечной температуры си-
стемы, при которой содержание остаточного метана равнялось
бы заданному [0,3—0,5% (об.)]1
Равновесный состав конвертированного газа зависит от тем-
пературы и давления, а также от состава исходной смеси. Кон-
версия углеводородов идет с увеличением объема и с поглоще-
нием тепла. Согласно правилу Ле-Шателье, химическое равно-
весие реакций (2.19) и (2.20) сдвигается вправо при повыше-
нии температуры, уменьшении давления, увеличении мольного
отношения пара и диоксида углерода к метану в исходной сме-
си. Выбранным условиям процесса соответствуют определен-
ный состав газа и только одно значение константы равно-
весия.
На рис. 2.6 представлена зависимость равновесного содер-
жания остаточного метана в конвертированном газе от количе-
ства водяного пара в исходной смеси при различных давлениях.
При увеличении содержания водяного пара в исходной смеси
и неизменных прочих условиях концентрации остаточного ме-
тана в конвертированном газе снижается пропорционально дав-
лению.
45
Рис. 2.8. Зависимость состава сухого конвертированного газа при каталитической паро°
воздушной конверсии метана от температуры и содержания Н2О во влажном газе (Р =
=30-10г’ Па; Н2О -• СН4=4 : 1; воздух : СН4=1,43 в исходной смеси).
Рис. 2.9. Зависимость концентрации остаточного метана от давления при каталитической
паровоздушной конверсии метана (/«=900 °C) и отношении воздух : СН4= 1,43 для раз-
личных соотношений Н2О : СН4:
/ — 2 : 1; 2 —4 : 1.
На рис. 2.7 приведена зависимость равновесного состава
конвертированного газа от температуры.
Рис. 2.8 отражает зависимость равновесного состава конверт
тированного газа от температуры на выходе из шахтного реак-
тора паровоздушной конверсии.
На рис. 2.9 дана зависимость равновесного содержания ос-
таточного метана в конвертированном газе от давления системы
при различных отношениях PRO : СН4 в исходной парогазовой
смеси перед трубчатой печью.
На рис. 2.10 представлена зависимость равновесной концент-
рации остаточного метана от температуры и давления после
трубчатой печи и отношения пар : углерод в исходной смеси.
Рис. 2.11 отражает зависимость равновесной концентрации
метана от температуры и давления после шахтной конверсии
и отношения пар : углерод в исходной смеси перед трубчатой
печью.
Катализаторы конверсии метана
Скорость взаимодействия метана и других углеводородов
с водяным паром и диоксидом углерода в свободном объеме
без катализатора при температуре ниже 1100 °C очень мала.
В статических условиях при 700 °C и длительности пребывания
смеси газов, состоящей из одного объема метана и двух объе-
мов водяного пара, в зоне нагрева 3 ч степень превращения ме-
тана составляет всего 3% от равновесной. В промышленном
46
(Рис. 2.10. Зависимость равновесной концентрации остаточного метана
-от температуры и давления после трубчатой печи при различных от-
ношениях пар : углерод в .исходной смеси.
Рис. 2.11. Зависимость равновесной концентрации метана от температуры и давления
после шахтной конверсии остаточного метана с воздухом и соотношения пар : углерод
в исходной смесн перед трубчатой печью.
трубчатом реакторе конверсия метана до получения смеси,
близкой к равновесной, должна проходить в течение 1,0—1,5 с.
Для увеличения скорости взаимодействия углеводородов с во-
дяным паром и диоксидом углерода применяют катализа-
торы.
Каталитическая конверсия углеводородов водяным паром
является гетерогенным процессом, который протекает на грани-
це раздела твердой (катализатор) и газообразной (смесь угле-
водородов, водяного пара, водорода и оксидов углерода) фаз.
Началу химических взаимодействий углеводородов с водяным
паром предшествует концентрирование реагентов на поверхно-
сти катализатора (адсорбция).
Наибольшей каталитической активностью в реакциях взаи-
модействия углеводородов с водяным паром и диоксидом угле-
48
Таблица 2 5. Характеристика основных промышленных катализаторов конверсии природного газа
тво, % (масс.) O3W 0,2 to ч—Н U 1 1 сч 1 1 оо сч
Ог>1 + ОгвМ СЧ СЧ 0*0* 0,2 со сч 0*0* I — [0,4 — 0,6 0,2 сч сч~ 0*0*
lou о* ь- О* СЧ ч— 0*0 ч—Ч О V— 0*0
ф ф к V—И Т—И 0*0* 0,1 сч сч~ 0*0* ч—И ч—< 0*0* ч—И О V-И СЧ 0*0*
ф о к S3 овн - 1 1 1 1 1 1 1 1 1
ф сз М О 'OIS сч сч 0*0* ч—< о сч сч 0*0* Ч—4 V—И о о 0,2 — сч 0*0
к СЗ S3 О1’Э 00 ь- ч—’ о 1 1 1 ОО 1.0 1
е СЗ EOZ1V 65,2 60,1 75,9 53,1 57,3 |92,4! 91,2 75,4 67,5 62,3
6 O1N tn to сч сч сч сч 32 17 ь-оо о ь- о
Удельная по- верхность слоя, м2/м3 Для трубчатой печи (иа метром трубы, мм SOI О -Ф оо сч сч 294 —< о СО сч сч S со 2 о I 282 1 244 231 о сч О ’ф сч сч
оооо г- со сч сч 284 —•о сч со сч сч ex, £- CD ей S *
зкость м3/м3 102 0,56 0,55 0,53 0,54 0,54 ей О 1 0,43 0,38 0,47 0,47 0,52
с 5 04 0,57 0,56 0,55 0,56 0,56 - W ей <Р о
Насыпная ПЛОТНОСТЬ, кг/м3 1000—1200 820—840 1100—1300 1050—1100 1000—1100 о к и ей В к ч r I 1500—1600 1100-1300 870—910 980—1100 1000—1050
1 -ЕЙ! дг сч о V—1 ч—« О Г- о ч—< Ч—* into О >—и Ь- 00 V—* <
змеры нул, а 43 Ь- о о 1 о о
со Си Q ш о СО г- о to tn о г- о
Марка катализатора ГИАП-16 (СССР) C-11-2S (Си-Си-Ай, США) С-11-9 (Си-Си-Ай, США) 57-1 (Ай-Си-Ай, Англия) RKR-1 (Топсе, Дания) ГИАП-3-6Н (СССР) ГИАП-8 (СССР) С-11-4 (Си-Си-Ай, США) 54-1 (Ай-Си-Ай, Англия) RKS-2 (Топсе, Дания)
4—831
49
Зюда обладает катализатор, содержащий никель. Содержание
никеля в различных катализаторах колеблется от 3 до 40%
(масс.). Применяют два основных способа приготовления ка-
тализаторов.
По первому способу соединения никеля и промоторов (акти-
вирующих и стабилизующих добавок) смешивают с порошко-
образным носителем и однородную массу формуют экструзией
или таблетированием в полусухом или сухом состоянии. По вто-
рому — каталитически активные вещества наносят на сформо-
ванный и прокаленный инертный носитель путем двух-, трех- и
четырехкратного пропитывания его растворами солей никеля и
промоторов. В качестве носителей применят чистый оксид алю-
миния либо с добавками оксидов других металлов. Готовый ка-
тализатор прокаливают при 400 °C для перевода солей никеля
в оксиды.
Никелевые катализаторы конверсии углеводородов должны
обладать высокой активностью, стабильностью, механической и
термической прочностью. Срок службы катализаторов трубча-
той конверсии метана при правильной эксплуатации достигает
трех и более лет. Характеристики применяемых в отечественной
промышленности для трубчатых печей и шахтных реакторов ка-
тализаторов приведены в табл. 2.5.
Производительность реактора характеризуется линейной
•объемной или эффективной скоростью. Объемная скорость —
это отношение объема исходного сухого природного газа, под-
водимого в единицу времени, к объему загруженного в реактор
катализатора [м3/(м3 • ч) или ч-1]. Эффективная скорость —
это отношение объема исходного сухого' природного газа, под-
водимого в единицу времени, к сумме геометрических поверх-
ностей гранул катализатора [м3/(м2-ч) или м/ч]. Величина эф-
фективной скорости дает возможность при расчете производи-
тельности реактора учитывать размеры и форму гранул ката-
лизатора.
Активность никелевых .катализаторов конверсии при 750—
830 °C достаточно велика. При объемных скоростях порядка
4000 ч~1 на гранулах катализатора достигается степень превра-
щения углеводородов, близкая к расчетной равновесной. Ско-
рость химических реакций не лимитирует процесс конверсии.
В трубчатых печах лимитирующими стадиями являются подвод
реагентов и теплопередача.
Скорость подвода реагентов ограничена гидравлическим
сопротивлением слоя катализатора, которое не должно превы-
шать (4—6) - 10s Па, а скорость теплопередачи—механически-
ми свойствами сталей, из которых изготовлены реакционные
трубы. Максимальная рабочая температура стенок реакцион-
ных труб современных трубчатых печей не должна превышать
900—930 °C, а количество тепла потока — 25,121 • 104 —
—4,187-105 кДж/м2-ч.
аО
Отложение углерода на никелевых катализаторах
В процессе конверсии природного газа водяным паром из
диоксидом углерода на никелевых катализаторах может обра-
зовываться твердая фаза — углерод (сажа). Образование сво-
бодного углерода снижает активность катализатора, ведет к.
механическому разрушению гранул, росту гидравлического со-
противления слоя катализатора.
Конверсия метана водяным паром или смесью его с диокси-
дом углерода на никелевом катализаторе при 400—1000 °C и
избытке окислителей (превышающем теоретически необходи-
мый примерно в 1,5 раза) протекает без образования углерода.
Конверсия гомологов метана при небольшом избытке водяного
пара в смеси также проходит без образования сажи. При двой-
ном избытке водяного пара (по сравнению со стехиометриче-
ским в пересчете на конверсия углеводородных газов, со-
держащих до 7—8% (об.) олефинов, при температуре выше
700 °C протекает без выделения свободного углерода. В этих
условиях скорость взаимодействия углерода с водяным паром
на никелевом катализаторе больше, чем скорость распада оле-
финов до углерода (особенно при содержании калия или дру-
гих щелочных металлов). При температуре ниже 700°C и недо-
статке окислителей образуется мелкодисперсный рыхлый угле-
род, который проникает во внутренние поры катализатора и при
последующей газификации разрушает его.
Отложившийся на поверхности катализатора углерод в виде
кокса и сажи удаляют, пропуская через катализатор водяной
пар. Обработка никелевых катализаторов водяным паром или
паровоздушной смесью при 400—800 °C приводит к их частич-
ной дезактивации в результате окисления активного никеля и
образования его оксидов
Ni + H2O NiO + Н2 (2.23)
2Ni + О2 2NiO (2.24)
При нагревании никелевого катализатора, нанесенного на
оксид алюминия, до 700 °C и выше в среде, не содержащей вос-
становителей, в результате взаимодействия NiO с Л12О3 обра-
зуется алюминат никеля NiAl2O4, относящийся к группе шпи-
нелей. Это соединение не может 'служить катализатором кон-
версии углеводородов.
При 800 °C и выше в среде водорода или конвертированного
газа с высоким содержанием Н2 происходит медленное превра-
щение NiAl2O4 в NiO и затем в металлический никель. Однако
даже при длительном восстановлении от 30 до 50% никеля мо-
жет оставаться в виде шпинели более сложного типа, например,
NiO-Al2O3-NiAl2O4.
Если окисленный катализатор содержит в основном NiO, то
его восстановление проходит практически до конца как в среде
водорода, так и в среде влажного конвертированного газа с вы-
4*
51
соким содержанием водорода и оксида углерода. При этом про-
текают следующие реакции
NiO + Н2 = Ni + Н2О (2.25)
NiO 4- СО = Ni + СО2 (2.26)
Восстановление исходного окисленного катализатора (не-
>содержащего шпинели) (проводят непосредственно в трубчатой
шечи в период разогрева и пуска агрегата.
Действие на катализаторы сернистых соединений,
пара и парового конденсата
Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к дей-
ствию соединений серы, содержащихся в природном или другом
углеводородном газе. В значительно меньшей степени источни-
ком сернистых соединений может быть водяной пар. Отравле-
ние катализаторов происходит из-за образования на их поверх-
ности сульфидов никеля, которые совершенно неактивны по от-
ношению к конверсии метана и его гомологов водяным паром.
При повышении температуры процесса конверсии и увели-
чении концентрации водорода в исходной смеси степень отрав-
ления никелевых катализаторов серой уменьшается. Паровая
конверсия углеводородов на никелевых катализаторах при
600—800 °C возможна только при тщательной очистке исходно-
го газа от соединений серы. Предельно допустимая концентра-
ция сернистых соединений в реакционной смеси в современных
схемах производства аммиака с использованием паровой кон-
версии метана в трубчатых печах под давлением 30-105 Па не
должна превышать 0,5 мг/м3 в пересчете на природный газ.
Никелевый катализатор, отравленный сернистыми соедине-
-ниями, удается почти полностью регенерировать при темпера-
туре 800 °C и выше (если содержание серы в исходном газе
не превышает допустимого). При глубоком отравлении ката-
лизатора целесообразно обработать его при 800—900 °C снача-
ла смесью водяного пара с водородом, затем чистым водоро-
дом.
Катализаторы, изготовленные на основе алюминатов каль-
ция и имеющие в своем составе оксид магния, чувствительны
к длительному воздействию на них водяного пара. Алюминаты
кальция, и особенно оксид магния, гидратируются водяным па-
ром. Гидратация приводит к образованию свободных гидрокси-
дов кальция, алюминия, магния, к изменению структуры ката-
лизатора, ослаблению его механических свойств.
Получение технологического газа
На рис. 2.12 показана часть энерготехнологической схемы
агрегатов производства аммиака, относящаяся к стадии полу-
чения технологического газа.
.52
Природный газ из заводского коллектора под давлением
около 12-105 Па проходит через расходомер и после этого де-
лится на два потока. Один поток, идущий на конверсию, сме-
шивают в соотношении примерно 10:1 с азотоводородной
смесью, поступающей из отделения синтеза аммиака, и направ-
ляют в сепаратор 27 для отделения высших углеводородов, на-
ходящихся в капельно-жидком состоянии. Затем газ направля-
ют на сжатие в двухступенчатый турбокомпрессор 29, между
ступенями которого установлены воздушный холодильник 31
и сепаратор газового конденсата 27.
Из компрессора газ под давлением 46-105 Па при 130—
140 °C поступает в радиационно-конвективный огневой подогре-
ватель 1, откуда выходит при 400 °C. Затем его направляют в
аппарат 2 гидрирования сероорганических соединений до серо-
водорода на алюмокобальтмолибденовом катализаторе. В двух
последовательно установленных адсорберах 3 (па схеме пока-
зан один) происходит очистка газа от сероводорода поглотите-
лем на основе цинка до содержания серы не выше 0,5 мг/м3
газа. Далее природный газ смешивают в смесителе 4 с водя-
ным паром в соотношении пар : газ, равном 4.
Полученную парогазовую смесь направляют в подогрева-
тель 11, расположенный в конвективной части трубчатой печи,
где температура ее повышается от 370 до 500—550 °C за счет
тепла дымовых газов. Нагретая парогазовая смесь поступает
в распределительные коллекторы 14, из которых через газопод-
водящие трубки при давлении 37-105 Па смесь попадает в
реакционные трубы 15, установленные в радиационной камере
трубчатой печи 17. В реакционных трубах на никелевом ката-
лизаторе происходит конверсия природного газа водяным па-
ром.
Тепло, необходимое для реакции, получают сжиганием при-
родного газа в межтрубном пространстве печи. Из реакцион-
ных труб конвертированный газ при 800—830 °C, содержащий
около 10% остаточного метана, проходит через нижние секци-
онные коллекторы 19 и секционные подъемные газоотводящие
трубы 18, расположенные в обогреваемом пространстве печи.
Отсюда газ попадает в верхний коллектор 16, футерованный
теплоизоляционным бетоном и помещенный в водяную ру-
башку.
Далее газ поступает в смеситель шахтного реактора 20.
Сюда же компрессором 26 под давлением 30-105 Па нагнетает-
ся технологический воздух, очищенный от механических приме-
сей в фильтре 25 и нагретый в теплообменнике 12 до 500 °C.
В свободном пространстве верхней части шахтного реактора 20
часть водорода, метана и оксида углерода, содержащихся в
конвертированном газе, поступающем из трубчатой печи, сго-
рает с кислородом воздуха, при этом выделяется тепло, необ-
ходимое для эндотермической реакции оставшегося метана с
водяным паром на никелевом катализаторе.
53
Рис. 2,12. Принципиальная энерготехнологическая схема производства технологического газа под давлением 30 10s Па в агрегате синтеза аммиа-
ка мощностью 1360 т/сут.:
/ — питательная деаэрированная вода; // — насыщенный водяной пар (106-Ю5 Па); /// — питательная вода; IV — пар (106-Ю5 Па) к турбине
отделения синтеза аммиака; V — пар от котла первой ступени конверсии СО; VI — газ на конверсию СО; VII — пар (40-105 Па); VIII — пар
(3,5-Ю5 Па); IX — вода питательная деаэрированная; X — пар (7-Ю5 Па); X/— паровой конденсат; XII — отопительный газ; XIII — сброс жидких
углеводородов; XIV — азотоводородная смесь; / — огневой подогреватель; 2 — реактор гидрирования сернистых соединений; 3—адсорбер; 4 — сме-
ситель; 5 —турбины с противодавлением; 6 — дымосос; 7 — экономайзер; 8 — подогреватель отопительного газа: 9 — пароперегреватель; 10 —
вспомогательный котел; // — подогреватель парогазовой смеси; /2 — подогреватель воздуха; 13— паросборник; 14 — коллектор парогазовой сме-
си; 15 — реакционные трубы; 16 — общий верхний коллектор конвертированного газа; /7 — трубчатая печь; 18 — секционная труба для отвода кон-
вертированного газа; /9 — нижний секционный коллектор; 20 — шахтный реактор; 2/— котел-утилизатор I-й ступени; 22 — котел-утилизатор
П-й ступени; 23 — насосы парового конденсата; 24 — конденсационные турбины; 26 — воздушный фильтр; 26 — турбокомпрессор технологического
воздуха; 27 — сепараторы; 28 — насос питательной воды; 29 — газовый турбокомпрессор; 30 — отстойник; 31 — воздушные холодильники; 32 — дега-
затор.
Процессы частичной паровой конверсии в трубчатой печи
и окончательной паровоздушной конверсии в шахтном реакторе
жестко связаны по материальным и тепловым потокам. В шахт-
ный реактор 20 подводят такое количество технологического
воздуха, чтобы содержание остаточного метана не превышало
заданное (0,3%) и технологический газ имел соотношение
(СО+Н2) • Ns, равное 3,05—3,10.
Из нижней части шахтного реактора 20 конвертированный
газ под давлением 30-105 Па при 980—1000°C поступает в.
котлы-утилизаторы первой и второй ступеней. Первая — высо-
котемпературная — ступень 21 состоит из двух парогенерато-
ров, расположенных симметрично по отношению к шахтному
реактору 20. На вторую ступень 22 поступает технологический
газ при температуре около 600 °C. Шахтный реактор 20 и перо-
вая ступень котла-утилизатора 21, как и общий коллектор 16\.
снабжены водяной рубашкой.
Технологический газ из котла-утилизатора второй ступени
при давлении 27-105 Па и температуре около 400 °C с отноше-
нием пар: газ = 0,7 поступает на дальнейшую переработку в.
аппараты конверсии оксида углерода.
Второй поток природного газа, предназначенный для сжига-
ния в трубчатой печи, огневом подогревателе и топках вспомо-
гательного и пускового котлов, поступает в дегазатор1 32.
В этот аппарат сбрасывают также газовый конденсат природ
ново газа из сепаратора 27 и промежуточных холодильников 31
компрессора 29. Легкие фракции конденсата испаряются при
нагреве дегазатора глухим паром и обогащают топливный газ.
Часть топливного газа подогревается в теплообменнике 8 и
при температуре около 150 °C подается в сводовые короткофа-
кельные горелки для сжигания в межтрубном пространстве
трубчатой печи, затем в дополнительные горелки, установлен-
ные в конвективной части трубчатой печи перед пароперегрева-
телем 9, и во вспомогательные туннельные горелки, установлен-
ные в газоходах реакционной части трубчатой печи.
Другая часть топливного газа сжигается в огневом подо-
гревателе 1, вспомогательном котле 10 и (при пуске агрега-
та) в топке пускового котла (на схеме не показан).
Дымовые газы покидают межтрубное пространство трубча-
той печи 17 при температуре »1000 °C. Физическое тепло го-
рячих дымовых газов используется для нагрева реакционной
парогазовой и паровоздушной смеси и для перегрева водяного-
пара. Далее к основному потоку дымовых газов подмешивают
дымовые газы после вспомогательного котла 10. Общий поток
дымовых газов с температурой около 700 °C отдает свое тепло
для перегрева водяного пара в первой ступени пароперегрева-
теля 9, для подогрева котловой воды в экономайзере 7 и нагре-
ва топливного газа в подогревателе 8. Далее дымовые газы при
температуре около 160сС выбрасываются в атмосферу двумя
дымососами 6 (на схеме показан один) через дымовую трубу.
56
Питательная деаэрированная химически очищенная вода при
100 °C подается насосом 28 под давлением 110-105 Па в эконо-
майзер 7 и теплообменники, находящиеся в отделениях метани-
рования остаточных количеств оксида и диоксида углерода и
синтеза аммиака. Здесь она подогревается до 300 °C и посту-
пает в паросборник 13, а затем — во вспомогательный котел,
встроенный в конвективную часть трубчатой печи, в котлы-ути-
лизаторы 21 и 22, установленные после шахтного реактора и в
котел-утилизатор после конвертора СО первой ступени (на схе-
ме не показан).
Насыщенный пар из котлов-утилизато|ров под давлением
106-105 Па при 314 °C возвращается в паросборник 13, прохо-
дит пароперегреватель 9 и под давлением 101 • 105 Па при 480 °C
поступает на основную турбину компрессора синтез-газа (на
схеме не показан), работающую с противодавлением. Часть
пара из основной турбины под давлением 41,5-105 Па при
370 °C поступает в смеситель 4 для конверсии природного газа
в трубчатой печи. Остальной пар распределяется между кон-
денсационными турбинами и турбинами, работающими с про-
тиводавлением.
Контроль температуры и давления в конвективной и радиа-
ционной камерах трубчатой печи агрегата осуществляют с по-
мощью приборов, установленных на ЦПУ (центральный пункт
управления) и рабочих площадках.
Радиационная и конвективная камеры трубчатой печи име-
ют точки контроля температуры по тракту дымовых газов от
выхода из трубчатой печи до дымососов. Кроме температуры
контролируют разрежение в радиационной камере печи, в топ-
ке вспомогательного котла, перед дымососами, причем датчик
разрежения в радиационной камере печи через систему автома-
тического управления связан с регулятором оборотов паровых
турбин дымососов.
Для повышения надежности работы агрегата и удобства уп-
равления им для температурного контроля оборудованы точки
на стенках подогревателей пара, парогазовой смеси, питатель-
ной воды, технологического воздуха, отопительного и конвер-
тированного газов на выходе из труб. Трубчатая печь оборудо-
вана приборами для измерения перепада давления в слое ката-
лизатора.
В табл. 2.6 приведен материальный баланс паровоздушной
конверсии природного газа под давлением 35-105 Па в агрега-
тах аммиака производительностью 1360 т/сут.
В табл. 2.7 приведены основные нормы технологического
режима отделения конверсии метана агрегата аммиака.
Аппаратурное оформление процесса
Конструктивной особенностью трубчатых печей является
большое число (от нескольких десятков до нескольких сотен)
одинаковых трубчатых реакторов — реакционных труб, обра-
57
g Таблица 2.6. Материальный баланс паровоздушной конверсии природного газа под давлением 35-105
в агрегатах производительностью 1360 т аммиака в сутки (на 1000 м3 природного газа)
Компонент газовой смеси Поступление Смешанный сухой газ на входе в труб- чатую печь Выход газа
влажного сухого
м3 % м3 % м3 % м3 % м3 %
Первая ступень — конверсия в трубчатой печи*
со2 Природны 0,8 й газ 0,08 Азотово см до 5* ** *** дородная есь 0,8 0,07 386,71 5,93 386,71 10,70
со — — до 20** — — — 324,73 4,98 324,73 8,96
н2 — — 74,40 74,40 74,40 6,76 2523,26 38,60 2523,26 69,80
n2 14,5 1,45 24,60 24,60 39,10 3,56 39,10 0,60 39,10 1,08
Аг — — 0,31 0,31 0,31 0,03 0,31 0,01 0,31 0,01
СН4 937,0 93,70 0,69 | 0,69 937,69 85,25 343,69 5,27 343,69 9,45
с2н6 32,0 3,20 — — 32,0 2,90 — ‘— — —
С3Н8 Н,4 1,14 — — 11,40 1,04 — — — —
С4Ню 3,2 0,32 — — 3,20 0,29 — ——
с5н12 0,9 0,09 — — 0,90 0,08 — — — —
С6н14 0,2 0,02 — — 0,20 0,02 — — — —
Н2О водяной пар 4000 м8 — — 2903,46 44,52 — —
Всего 1000 | 100 100 | 100 1100 юо 6521,26 100 3617,80 100
Вторая ступень —конверсия в шахтном реакторе***
со2 со Газ из трубчатой печн Воздух — — 415,48 625,18 5,01 7,55 415,48 625,18 8,08 12,12
386,71 324,73 5,93 4,98 — —
Н2 2523,26 38,69 — — — — 2936,49 35,30 2936,49 56,88
n2 39,10 0,60 1119,30 78,0 — — 1158,40 13,95 1158,40 22,44
Аг 0,31 0,01 14,35 1,0 — — 14,66 0,18 14,66 0,28
сн4 343,69 5,27 — — — — 14,47 0,18 14,47 0,28
Н2О 2903,46 44,52 — — — — 3150,00 37,83 — —
о2 — — 301,35 21,0 — — — — —
Всего 6521,26 100 1435,0 100 8314,68 100 5164,68 100
* Влажность газа после трубчатой печи равна 0,803 м3 на 1 м3 сухого газа.
** Содержание, см3/м3. n R1 м3 на 1 м3 сухого газа. Отношение
*** Влажность конвертированного газа равна м на i и сухо
(СО4-ВД : N2=3,07.
Таблица 2.7. Технологический режим конверсии метана агрегата аммиака
Параметр
Общий расход природного газа в
том числе на технологию, м3/ч
Расход пара в линию природного
газа, т/ч
Расход пара в линию воздуха, т/ч
Расход природного газа на отопле-
ние, м3/ч
Топливный газ на потолочные го-
релки (смесь танковых и продувоч-
ных газов), м3/ч
Расход топливного газа на горелки
вспомогательного котла, м3/ч
Расход азотоводородной смеси на
дозировку в природный газ перед
сероочисткой, м3/ч
Расход конденсата в рубашки кон-
вертора метана П-ой ступени, т/ч
Температура конвертированной паро-
газовой смеси после реакционных
труб, °C
Температура конвертированной паро-
газовой смеси на выходе из подъем-
ных труб, °C
Температура конвертированной па-
рогазовой смеси на выходе из кон-
вертора метана, °C
Температура пара под давлением
40,5-105 Па, °C
Температура пара после паропере-
гревателя, °C
Температура конвертированной паро-
газовой смеси после котлов-утилиза-
торов 1-ой ступени, °C
Температура конвертированного газа
после воздушного холодильника, °C
Температура топливного газа после
блока теплоиспользующей аппарату-
ры трубчатой печи, °C
Температура конвертированной паро-
газовой смеси на выходе из котла-
утилизатора П-ой ступени, °C
Давление газовой смеси после серо-
очистки, 105 Па
Давление технологического воздуха
перед шахтным реактором П-ой сту-
пени, 105 Па
Давление пара в паросборнике,
105 Па
Давление топливного газа на горел-
ки огневого подогревателя природ-
ного газа, 105 Па
Норма Примечание
Не выше 38 000 110—120 Сигнализация по мини-
4,5—7 муму При отключении возду-
Не выше 28 000 26 000— 27 000 Не выше ха — до 27 При пуске компрессора
7000 азотоводородной сме*
Не выше си — не выше 7500 Н2 в смесн до 10,7%
6300 (об.)
Не более Сигнализация по мини-
10 муму
810—830 Не выше 860 970—980 При пуске не выше 1010
370—380 480—485 Сигнализация по мини-
— муму (460) н по макси- муму (490) 370—480
Не выше 40 100—110 330—380 Сигнализация по мини»
36—40 Не выше муму 325 н по макси- муму 390
35 Не выше Сигнализация по минн-
105,5 муму 100 и по макси-
0,2—0,4 муму 108 Блокировка прн 0,1
60
Продолжение табл. 2.7'
Параметр Норма Примечание
Давление топливного газа на горел- ки печи риформинга, 105 Па Давление топливного газа перед го- релками вспомогательного котла, 105 Па Разрежение в топочном простран- стве трубчатой печи, Па Разрежение в топочном простран- стве вспомогательного котла, Па Разрежение в топке огневого подо- гревателя, Па Перепад давления в печи, Па Перепад давления в шахтном реак- торе, Па Не выше 2,5 Не выше 2,5 80-180 100—200 До 500 До 50 До 10 Сигнализация при 200 Сигнализация при 500
зующих трубные экраны. Трубы заполнены катализатором к
объединены коллектором парогазовой смеси на входе и конвер-
тированного газа на выходе. Конструкция трубчатых печей тре-
бует сложной системы коллекторов, равномерного обогрева
труб .и распределения по ним исходной парогазовой смеси.
Трубчатые печи отличаются применяемым рабочим давле-
нием, типом трубных экранов, формой топочных камер, спосо-
бом обогрева, конструкцией газоотводящих труб, способом ком-
пенсации термического удлинения реакционных труб, формой;
газоходов, расположением камер конвективного подогрева ис-
ходных потоков (газа, пара, воздуха, питательной воды и др.).
Трубчатые печи оборудованы смотровыми окнами, люками-ла-
зами, взрывными панелями, отверстиями для запальников, плот
щадками для обслуживания. Для монтажа, ремонта и обслужи-
вания трубчатых печей используют подвижные или стационар-
ные подъемные краны.
Топочное пространство печи и газоходы футеруют несколь-
кими -слоями огнеупорных и теплоизоляционных материалов..
Большинство печей закрывают снаружи металлической обшив-
кой, температура которой во время работы не должна превы-
шать 60 °C.
Топочная (радиационная) камера. Теплообмен в трубчатых
реакторах включает три стадии: подвод тепла к наружной по-
верхности труб, передачу тепла через стенку труб и отвод его
от внутренней поверхности труб к потоку реагентов и продук-
тов реакции. Количество тепла Q, которое необходимо подвести
к поверхности труб, определяется из условия материального и:
теплового балансов конверсии. Его можно выразить уравне-
нием
Q^FMK (2.27);
где F— суммарная поверхность ‘реакционных труб, установленных в топоч-
ной камере, м2; Ai —средняя разность температур между греющим потоком.
61
<и потоком, потребляющим тепло; К— общий коэффициент теплопередачи,
кДж/(м2-ч-°С).
F—ndLn (2.28)
•где d и L — диаметр и длина трубы, м; п — число труб в топочной камере.
В общем виде
О
(2‘29)
-где fi — поверхность одной трубы, м2.
Общий коэффициент теплопередачи и температурный пере-
пад являются функциями многих теплофизических величин.
Длина |реакционных труб и максимальные скорости потока
в них определяются допустимым гидравлическим сопротивле-
нием слоя катализатора и температурным перепадом между
реакционной смесью и греющими газами. На протяжении пер-
вых трех метров обогреваемой части трубы в .слое катализа-
тора осуществляется быстрый подогрев реакционной смеси и
конверсия части исходных углеводородов. Равномерность обо-
грева реакционных труб по высоте характеризуется коэффи-
циентом равномерности <pi, который для печей с верхним на-
гревом на практике не превышает 0,84. Равномерность обогре-
ва труб по окружности характеризуется коэффициентом равно-
мерности фг, который определяется способом обогрева и типом
трубного экрана. Для двухрядного экрана <р2=0,56, одноряд-
ного — 0,84. С учетом коэффициентов равномерности обогрева
количество тепла, передаваемое через стенку реакционных труб,
•определяется уравнением
Q=FMK<№2 (2.30)
Реакционные трубы. Каждая труба является самостоятель-
ным реактором, в котором в присутствии катализатора углево-
дороды взаимодействуют с водяным паром за счет тепла, под-
водимого через стенку трубы. Применяют реакционные трубы
различных конструкций.
Реакционные трубы для конверсии под давлением (25—
40)-10s Па изготавливают из материала, который должен об-
ладать хорошей свариваемостью, длительной прочностью и вы-
соким сопротивлением ползучести при рабочей температуре.
Высокой длительной прочностью обладают реакционные
трубы из стали 45Х25Н20С. Однако из-за низкой пластично-
сти трубы из этой стали могут быть изготовлены только цент-
робежным литьем с последующей сваркой заготовок. Недоста-
ток этой стали — хрупкость в процессе эксплуатации, поэтому
при монтажных работах и загрузке катализатора недопустимы
•сильные механические удары. Для труб, работающих при 900 °C
и давлении (30—32)-105 Па срок службы должен составлять
от 7 до 10 лет. Центробежным литьем изготовляют отрезки
62
Рис. 2.13. Реакционная прямоточная тру-
ба, работающая под давлением до
32-105 Па:
/ — нижняя крышка; 2 — опорный стер-
жень; 3 — фланец; 4 — корпус трубы; 5 —
бобышка к газоотводящей трубке-. 6 — плап-
кн для крепления распределителей (сепара-
торов) трубного экрана; 7 — опорный ста-
кан катализатор ной решетки; 8 — бобышка
к газоподводящей трубке; 9 — уплотняю-
щие кольца; 10 — серьги для подвески ре-
акционной трубы; 11 — верхняя крышка;
12 — коническая катализаторная решетка;
13 — теплоизоляционный блок из бетона.
Рис. 2.14. Реакционная прямоточная труба, работающая под давлением до 37 10s Па:
а — разрез вдоль осн коллектора; б—поперечный разрез; 1, 2 — нижняя и верхняя части
реакционной трубы; 3 — бобышка к газоподводящей трубке; 4—-опора для пружинной
подвески; 5 — уплотняющие кольца; 6 — верхняя крышка; 7 — верхний фланец с буртом;
8 — теплоизоляционный блок; 9 — бобышка для приваривания трубы к коллектору; 10 —
секционный коллектор.
труб длиной 1,7—4 м; для .получения трубчатого реактора дли-
ной 10—-14 м отрезки труб сваривают электродуговым методом.
При аварии в реакционных трубах появляются продольные
трещины, а затем большая щель. Выходящий из нее газ вос-
пламеняется, образуется факел, который при достаточно боль-
шой ширине щели начинает перегревать соседние трубы и раз-
рушать футеровку топочной камеры.
Прямоточная реакционная труба (рис. 2.13), работающая
под давлением до 32-105 Па, снабжена верхним и нижним при-
варными фланцами с крышками. Фланцы уплотнены металли-
ческими кольцами или специальными плоскими асбометалли-
63
‘Рис. 2.15. Узел подвода парогазовой смеси:
»ая— вид сбоку; б — вид сверху; 7—коллектор;
они а я труба.
2 — газоподводящие трубки; 3 — реакцн-
ческими прокладками. Верхняя и нижняя бобышки 8 и 5 свар-
кой соединены с газоподводящей и газоотводящей трубками.
Установленный на нижнюю крышку опорный стакан 7 и при-
варенная к нему опорная коническая катализаторная решетка
из жаропрочной стали 12 предназначены для отвода конверти-
рованного газа. Для этой же цели служит боковое окно над
слоем бетона в стенке стакана. Нижняя часть опорного стакана
заполнена теплоизоляционным бетоном для защиты нижней
крышки трубы от воздействия высокой температуры.
Выше газоотводящего штуцера в наружной стенке реакци-
онной трубы приварены четыре планки 6 для крепления дета-
лей (сепараторов), фиксирующих интервалы между реакцион-
ными трубами. К нижнему фланцу приварен стержень (па-
лец) 2, которым реакционная труба свободно опирается на не-
сущую балку. К верхнему фланцу приварены две серьги 10 для
подвески трубы с противовесом к траверсе, воспринимающей
около 95% веса четырех труб, запруженных катализатором.
Верхняя тонкостенная часть реакционной трубы (рис. 2.14),
работающей под давлением до 37-105 Па (над сводом отопи-
тельной камеры) длиной 1250 мм изготовлена из стали 15ХМ.
Верхняя крышка трубы защищена от воздействия высоких тем-
ператур теплоизоляционным стаканом. Фланцы уплотнены ме-
таллическими кольцами или специальными асбометаллическими
прокладками. Верхний боковой штуцер приваривают к газо-
подводящей трубке. Нижняя часть реакционной трубы прива-
рена к секционному коллектору; опорой для слоя катализатора
служит стенка коллектора с просверленными отверстиями.
Удлинение реакционных труб при нагреве их до рабочей
температуры составляет 100—240 мм (в зависимости от длины
трубы и температуры стенки). Подвод газа к прямоточным
трубам, удлиняющимся вниз (рис. 2.13), показан на рисун-
ке 2.15. Применяют различные варианты узлов компенсации.
При нижней опоре (рис. 2.14) термическое удлинение реак-
ционных труб воспринимается системой, изображенной на
рис. 2.16.
Реакционные трубы, приваренные к нижнему секционному
коллектору, свободно висящему в радиационной камере, подве-
шивают на пружинных траверсах, как это показано на рис. 2.17.
В трубчатых печах с нижней опорой реакционных труб коллек-
торы исходной парогазовой смеси устанавливают как на жест-
ких, так и на пружинных опорах (до пяти опор по длине кол-
лектора).
До разогрева печи коллектор парогазовой смеси испытывает
со стороны пружинных опор усилие, направленное вверх, а со
стороны газоподводящих трубок — натравленное вниз. При уд-
линении труб в период разогрева коллектор, связанный с ними
газоподводящими трубками, поднимается па пружинных опо-
рах. Термическое удлинение коллектора конвертированного га-
за ;в таких печах воспринимается дружинными опорами на шар-
нирах.
В печах с верхней пружинной подвеской реакционных труб
коллектор парогазовой смеси также устанавливают на непо-
движных опорах, а свободно висящие коллекторы конвертиро-
ванного газа приваривают к трубам, висящим на пружинных
подвесках.
Конвективная камера трубчатой печи. Температура дымо-
вых газов, выходящих из топочного пространства, на 80—
200 °C выше, чем поверхности реакционных труб, т. е. колеб-
лется в пределах 900—1100 °C. За радиационной топочной ка-
Рис. 2.16. Система компенсации термического удлинения труб с нижней опорой:
а — общий вид; б — вид одной секции подвески; 1— опорная пружина; 2 — коллектор па-
рогазовой смеси; 3 — газоподводящая трубка; 4 — каркас печи; 5 — кронштейн; 6 — тра-
верса; 7 — реакционные трубы; 8 — коромысло; 9 — противовес (/—II — положение ниж-
ней грани противовеса при холодной и горячей трубах соответственно).
5—831
65
Рис. 2.17. Система пружинной подвески реак-
ционных труб, удлиняющихся вниз:
а — пая. одной трубы; б — для двух труб; 1 —'
опора трубы; 2, 3, 6 — накладки; 4 — планка;
5 — ось подвески; 7, 11 — серьги; 8, 10— стерж-
ни; 9—пружина; 12— опорная плита.
мерой размещают конвективную
камеру, в которой располагают
теплоиспользующую аппаратуру.
Конвективная камера футерова-
на огнеупорными и теплоизоля-
ционными материалами. Темпе-
ратуру регулируют с помощью
основных и дополнительных го-
релок. Дымососы создают в ка-
мере разрежение. Трубы для на-
грева технологических потоков
изготовляют из хромомолибдено-
вых или хромистых сталей. Для
интенсификации теплообмена
применяют оребренные трубы.
°ащита теплообменных потоков
существляется автоматической
подачей в них водяного пара; в
некоторых случаях водяной пар
(или азот) подают непосредствен-
но в топочную камеру.
Котлы-утилизаторы. На агре-
гате АМ-70 генерируется около
360 т/ч пара высоких парамет-
ров, что эквивалентно установке
энергетического блока мощностью
80—100 МВт. Котел-утилизатор
рервой ступени (рис. 2.18) уста-
новлен на линии конвертирован-
ного газа после шахтного реак-
тора. Первая ступень состоит из двух параллельно работающих
вертикальных водотрубных котлов. Трубный пучок (толщина
трубной решетки 270 мм) выполнен из трубок Фнльда, которые
представляют собой двойную трубу, причем нижний конец на-
ружной трубки глухой. Вода поступает сверху по внутренней
трубке, пароводяная эмульсия поднимается снизу по кольцево-
му зазору между внутренней и наружной трубками. Диаметр
наружных трубок 50X3,5 мм, внутренних—25x2 мм. Длина
наружной трубки в пучке из 107 штук равна 6750 мм, в пучке
из 148 штук — 6140 мм, длина внутренней трубки 7950 и 7340 мм
соответственно.
Общая поверхность обоих котлов-утилизаторов первой сту-
пени составляет 500 м2. На входе в первую ступень температу-
66
Рис. 2.19. Вертикальный газотрубный ко-
тел-утилизатор 11-й ступени:
1, 10 — верхняя и нижняя крышка; 2 —
штуцер предохранительного клапана; 3 —
штуцер выхода газа; 4 — штуцер выхода
воды; 5 — корпус котла; 6 — штуцер вхо-
да воды; 7, 12 — штуцер входа газа; 8 —
штуцер дренажа; 9 — штуцеры термопар;
11— фланец крепления крышки; 13 — шту-
церы продувки.
Рис. 2.18. Вертикальный водотрубный котел-утилизатор I-й ступени:
1 — штуцер ввода воды; 2— штуцер выхода пароводяной эмульсии; 3 — штуцер выхода
газа; 4 — корпус котла; 5—дренажный штуцер; 6 — пружинные опоры; 7 — штуцер ввода
воды в водяную рубашку; 8 — штуцер входа газа; 9 — водяная рубашка; 10 — бетонная
футеровка; // — трубки Фильда; 12 — штуцер сигнализации низкого уровня воды в ру-
<5ашце; 13 — штуцер указателя уровня в рубашке.
ра конвертированного газа составляет примерно 1000 °C, дав-
ление—30-105 Па.
Оба потока конвертированного газа из котлов-утилизаторов
первой ступени при температуре 550 °C соединяются вместе и
поступают в вертикальный газотрубный котел-утилизатор вто-
рой ступени (рис. 2.19). На нижней толстостенной (240 мм)
трубной решетке конвертированный газ равномерно распреде-
ляется между жаровыми трубами, длина которых 3650, диа-
метр— 25X5 мм. Толщина верхней (холодной) решетки состав-
ляет 145 мм. Общая поверхность нагрева котла-утилизатора
второй ступени 280 м2. Конвертированный газ выходит из кот-
лов при температуре 380 °C.
5*
67
Рис. 2.20. Горелка инжекционная сводовая
многорядной печи:
/ — заслонка; 2—газовое сопло; 3 — смеси-
тель; 4 — штуцер запальника с крышкой; 5 —
головка горелки; 6 ~ корпус с крышкой; 7 —'
регулятор подсоса дополнительного воздуха;
8 — керамическое сопло; 9 — изоляция свода
печи.
Трубное пространство котлов
первой ступени и межтрубное
котла второй ступени соединены
с паросборником. Между котла-
ми первой и второй ступеней и
паросборником осуществляется
естественная циркуляция паро-
водяной эмульсии.
В зависимости от давления
генерируемого пара выбирают
материал для труб котлов-утили-
заторов. Котлы, производящие пар под давлением около
100-105 Па, и пароперегреватели этих котлов изготавливают из
легированных сталей, экономайзеры — из углеродистой стали.
Для начального пуска агрегатов производства аммиака не-
обходимо определенное количество технологического и энерге-
тического пара. Его получают от заводской ТЭЦ, либо генери-
руют в специальном пусковом котле. При нормальной работе
агрегата пусковые котлы обычно включаются в его паровую
сеть и работают как вспомогательные. Топочная камера котла
через газоход соединена с конвективной камерой трубчатой
печи.
Горелочные устройства. Эффективность и надежность рабо-
ты трубчатых печей крупных агрегатов во многом зависит от
выбора типа горелочных устройств. По способу подачи воздуха
на сжигание они бывают инжекционные и с принудительной по-
дачей; по способу обогрева труб — факельные и настильного
пламени. Горелки работают как на природном газе, так и на
его смеси с танковыми и продувочными газами. Одно из основ-
ных требований к факельным горелкам состоит в том, чтобы
пламя не касалось стенок реакционных труб.
На рис. 2.20 показана инжекционная горелка факельного
типа. При нормальной работе горелки диаметр образующегося
конусообразного факела составляет не более 1 м, длина —
1,2 м. Средняя температура факела 1250—1300 °C. Расход при-
родного газа на горелку составляет 150 м3/ч. Коэффициент из-
бытка воздуха при подогреве газа до 150 °C /равен 1,15.
Факел диффузионной горелки с принудительной подачей воз-
духа (рис. 2.21), устанавливаемой на террасах топочных камер,
направлен вверх под углом к наклонной огнеупорной стенке.
В печах такого типа значительная часть тепла передается реак-
ционным трубам радиацией от раскаленных до 1000—1200 °C
68
вид Б
Рис. 2.21. Диффузионная горелка с принудительной подачей воздуха:
/ — наружный желоб; 2— внутренний подвижный желоб; 3 — стенка; 4, 6 — левый и
правый упоры; 5 — газораспределительная трубка с соплами; 7 — газоподводящая трубка;
S— рукоятка внутреннего желоба.
наклонных стен. Топливный газ поступает в горизонтальную
трубку диаметром 25 мм и выходит из нее через отверстия диа-
метром 3 мм. Поступление воздуха регулируют шиберами, вы-
полненными в форме двух прямоугольных желобов с отверстия-
ми, которые перекрываются при перемещении подвижного же-
лоба.
Теплопроизводительность горелки 261,68 ГДж/ч, расход га-
за на сжигание 73,5 м3/ч, коэффициент избытка воздуха состав-
ляет 1,06—1,1.
*701? Z
/2 ч/J
Рис. 2.22. Инжекционная горелка топки вспомогательного котла многорядной печи:
1— ротор; 2 —корпус; 3 — входной патрубок; 4 — крышка кожуха; 5 — шибер; 6 — катуш-
ка; 7 — кожух; 8—продувочная труба; 9 — лопасть вентилятора; 10— газораспределитель;
11 — керамическая изоляция горелки; 12 — запальное устройство; /3 — корпус и изоляция
котла.
69
Рис. 2.23. Общий вид топочной (радиаци-
онной) камеры многорядной трубчатой
печи:
1 — вспомогательные горелкн; 2 — секцион-
ный коллектор; 3 — реакционные трубы;
4 — корпус печн; 5 — футеровка корпуса
печи; 6 — смотровые окна; 7 —футерован-
ный свод печи; S— коллектор парогазовой
смеси; 9 — система подвески реакционных
труб; 10 — газоотводящая секционная тру-
ба; 11 — общий футеров нный коллектор
конвертированного газа; 12 — основные го-
релки трубчатой печи; 13 — сборный газо-
ход.
Высокопроизводительная инжекционная горелка факельного
типа (рис. 2.22) имеет подвижный ротор1, который, вращаясь,
увеличивает турбулентность и уменьшает длину факела. Горел-
ки подобного типа устанавливают в топках вспомогательных
котлов и конвективных камерах трубчатых печей. Теплопроиз-
водительность горелки 62,7-9 • 106 кДж/ч, расход газа 1760 м3/ч,
коэффициент избытка воздуха составляет 1,0—1,15.
Типы трубчатых печей. Многорядная трубчатая
печь. В современных производствах аммиака, метанола и во-
дорода большой мощности наибольшее распространение полу-
чили прямоточные многорядные трубчатые печи с верхним пла-
менным обогревом. Печь состоит из двух блоков, топочной (ра-
диационной) камеры и блока использования тепла дымовых
газов (камеры конвекции) со встроенным вспомогательным кот-
лом. Основными преимуществами таких печей являются их ком-
пактность и относительно небольшие тепловые потери.
На рис. 2.23 представлен общий вид топочной камеры труб-
чатой печи такого типа. В топочной каме,ре установлены
12 параллельных секций, каждая из которых включает 42 реак-
ционных трубы диаметром 114X21 мм и высотой И м. Трубы
каждой секции вварены в нижний секционный коллектор с ша-
гом 260 мм. Коллектор, диаметр которого 142X19 мм, футеро-
ван блоками из огнеупорного бетона, облицованными листовым
инколоем. Трубы подвешены на пружинах (см. рис. 2.17). Сек-
ции труб свободно висят в топочном пространстве камеры.
Кольцевые зазоры между реакционными трубами и сводом то-
почной камеры уплотняют огнеупорными сальниковыми устрой-
ствами.
Парогазовая смесь из коллекторов равномерно распределя-
ется по газоподводящим трубам между реакционными трубами,
в которых на никелевом катализаторе протекает паровая кон-
версия углеводородов. Конвертированный газ собирается в сек-
ционные коллекторы и поднимается по газоотводящим трубам
в общий газосборный коллектор, футерованный теплоизоляци-
онным бетоном и помещенный в водяную рубашку (рис. 2.24).
Далее конвертированный газ по газосборному коллектору на-
правляют в шахтный реактор.
Топочная камера футерована двумя слоями высококачествен-
ного легковесного шамота общей толщиной 150 мм; температу-
ра наружной металлической стенки печи не должна превышать
60 °C. Огнеупорные блоки свода топочной камеры подвешены
на металлических шарнирных крюках. Камера снабжена смот-
ровыми окнами, люками-лазами и облицована сварным кожу-
хом из стали толщиной 5 мм.
Обогрев реакционных труб осуществляют факельными ин-
жекционными горелками, которые расположены в своде топоч-
ной камеры между секциями реакционных труб. В каждом
ряду устанавливают 20 горелок. Дымовые газы поступают в га-
зоходы, горизонтально расположенные между секциями реакци-
72
Рис. 2.24. Секционная газоотводящая труба и об-
щий коллектор конвертированного газа:
1 — газоотводящая труба; 2 — конический переход-
ник; 3 — катушка; 4 — конус; 5—обечайка; 6 — ста-
кан; 7 — водяная рубашка газоотводящей трубы-. 8 —
футерованный коллектор; 9 — водяная рубашка кол
лектора; 10 — патрубок; 11— теплоизоляционный бе-
тон.
092
онных труб в нижней части печи, и
при 900—1100 °C направляются в кон-
вективную камеру. В торцевой стене
каждого газохода имеются туннель-
ные горелки.
Пройдя теплообменники конвектив-
ной камеры (рис. 2.25), дымовые га-
зы попадают в дымосос, откуда при
температуре не более 160 °C выбрасы-
ваются в атмосферу. Для обеспечения
большей надежности работы тягу в
печи создают двумя дымососами, при-
чем оба имеют паровой привод. Тем-
пературу конвертированного газа в
секционных коллекторах замеряют
термопарами. Производительность пе-
чи по природному газу 36 000—
38 000 м3/ч.
Один из недостатков печи данной
конструкции — невозможность отклю-
чения одной или нескольких реакцион-
ных труб при аварийном их состоя-
нии без остановки всего агрегата.
Двухрядная ярусная печь.
Двухрядная ярусная трубчатая печь
противоточного типа (рис. 2.26) имеет
две параллельно работающие двухъ-
ярусные топочные камеры и блок, об-
щий для обеих топочных камер, предназначенный для исполь-
зования тепла дымовых газов и расположенный над камерами.
В каждой топочной (радиационной) камере установлены в два
ряда по 213 реакционных труб диаметром 121X16 мм и длиной
около 14 м. Они имеют нижнюю жесткую опору, однако боль-
шая часть их веса (95%) снимается противовесами через тра-
версы (см. рис. 2.16).
Кольцевые зазоры между реакционными трубами, сводом и
подом топочной камеры уплотняют огнеупорными сальниковы-
ми устройствами.
Парогазовая смесь из коллектора 4 (рис. 2.26), установлен-
ного на пружинных опорах 24, равномерно распределяется
между реакционными трубами 8. Газоподводящие трубки 26
служат одновременно и для компенсации неравномерности ли-
нейных удлинений реакционных труб.
73
В реакционных трубах на никелевом катализаторе протека-
ет паровая конверсия углеводородов. Конвертированный газ по
газоотводящим трубкам 13 собирается в секционные коллекто-
ры 10, установленные на пружинных опорах 12, из которых по-
ступает в футерованный коллектор (газоход) 14 и далее — в
шахтный реактор. Топочная камера футерована двумя слоями
высококачественного легковесного огнеупорного материала. Об-
щая толщина футеровки 250 мм. Все блоки печи имеют свар-
ной кожух толщиной 5 мм.
Топочная камера имеет смотровые окна 21, взрывные пане-
ли 22 и монтажные люки 18. Она оборудована диффузионными
горелками 9 с принудительной подачей воздуха (за счет разре-
жения в топочной камере), установленными вдоль основания
каждого яруса (см. рис. 2.21). Пламя настилается на наклон-
ные боковые стенки печи. Большая часть тепла (60 -70%) пе-
редается реакционным трубам радиацией от раскаленных до
1100—1200 °C стен камеры.
Дымовые газы поднимаются вверх и при температуре около
1070 °C поступают в конвективную камеру. В поде камеры уста-
новлено десять дополнительных горелок. Пройдя теплообмен-
ники конвективной камеры, дымовые газы попадают в дымосо-
17180
Рис. 2.25. Конвективная ка-
мера миогорядной трубча-
той печи:
1 — горелка; 2 — смотровое
окно; 3 — пароперегреватель
1-й ступени; 4 — каркас ка-
меры; 5 — бетонная футе-
ровка; 6 — перегреватель
.II-й ступени; 7 — экономай-
зер; 8 — подогреватель ото-
пительного газа; Р — дымо-
сос; 10 — подогреватель па-
рогазовой смеси; 11 — подо-
греватель паровоздушной
смеси.
74
Рис. 2.26. Двухрядная ярус-
ная трубчатая печь:
1 — дымовая труба; 2 — ды-
мосос; 3 — подвеска реакци-
онных труб; 4 — коллектор
парогазовой смеси; 5 — теп-
лообменники (подогреватель
парогазовой смеси, подогре-
ватель воздуха, пароперегре-
ватель, экран парового кот-
ла, экономайзер); 6— люк-
лаз и смотровое окно конвек-
тивной камеры; 7 — горелки
конвективной камеры; 8 —
реакционные трубы; 9 — го-
релки верхнего и нижнего
ярусов; 10 — коллекторы кон-
вертированного газа радиа-
ционных камер; 11 — нижние
опоры реакционных труб;
12 — пружинная опора кол-
лекторов; 13 — газоотводя-
щие трубки; 14 — футерован-
ный коллектор; 15— метал-
лический каркас печи; 16 —
кессон выходного коллекто-
ра; 17 — обшивка печи; 18 —
монтажные люки; 19— шту-
цер КИП; 20 — футеровка
печи; 21 — смотровое окно;
22 — окно взрывной панели;
23 — верхняя рабочая пло-
щадка: 24 — пружинная опо-
ра; 25 — подводящий трубо-
провод парогазовой смеси;
26 — газоподводящие трубки;
27 — площадка для обслужи-
вания дымососов; 28 — шибе-
ры дымососов.
сы 2, оттуда при температуре ниже 200 °C выбрасываются в ат-
мосферу. Для обеспечения большей надежности работы печь
имеет два дымососа. Дымосос создает разрежение у пода то-
почной камеры 3—5 и у свода — 8—10 мм вод. ст. (1 Па).
Производительность печи по природному газу 36 000 м3/ч.
Шахтные реакторы второй ступени паровоздушной конвер-
сии. Шахтный реактор предназначен для проведения практиче-
ски полной конверсии метана, оставшегося в газе после трубча-
той печи, и введения в состав получаемого технологического
газа необходимого количества азота. Он представляет собой
вертикально расположенную металлическую обечайку из мало-
углеродистой котельной стали. Верхняя часть аппарата служит
основанием приваренного к нему корпуса смесительной камеры,
нижняя заканчивается сферическим или коническим днищем.
75
Рис. 2.27. Шахтный реактор паровоздуш-
ной конверсии метана 11-й ступени:
1 — верхние термопары; 2 — верхний защит-
ный слой катализатора; 3 — корпус; 4—
водяная рубашка; 5 — боковые и нижние
термопары; 6 — шары из оксида алюминия;
7 — огнеупорная колосниковая решетка;
8 — днище; 9 — внутренняя металлическая
облицовка реактора; 10 — штуцеры ввода
воды в водяную рубашку; П — штуцеры
наружных термопар; 12 — цилиндрическая
опора; 13 — лестница для обслуживания ре-
актора; 14— катализатор; 15— футеровка
из жароупорного бетона; 16 — закладная
арматура под футеровку; 17 — смеситель-
ная камера; 18— верхняя площадка для
обслуживания.
Внутри реактор футерован жа-
роупорным бетоном. На рис.
2.27 и 2.28 показаны два ти-
па конструкций шахтных ре-
акторов, Они работают под
давлением (26—30) • 105 Па.
Конвертированный газ при
800—830 °C поступает из труб-
чатых печей по футерованно-
му газоходу (коллектору) в
смесители шахтных реакто-
ров для смешения с воздухом.
Ввод газа осуществляют ради-
ально. Ввод воздуха и дробле-
ние его на отдельные потоки
в реакторе (см. рис. 2.27) производится с помощью специаль-
ных распределителей (рис. 2.29). Реактор, показанный на
рис. 2.28, имеет выносную горизонтальную камеру сжигания.
Температура воздуха на входе в реактор 480—530 °C. Во всех
реакторах при смешивании потоков скорость истечения воздуха
составляет 10—60 м/с, а скорость движения газа в цилиндри-
ческой части смесителя — 6—20 м/с. Более высокая температу-
ра горения — в нижней части смесителя. Тепловое напряжение
в свободном объеме шахтного реактора (над катализатором)
(12,56—117,24)-10® кДж/м3. Средняя температура парогазовой
смеси над катализатором после реакции с кислородом воздуха
1200—1300 °C.
Катализаторы загружают в шахты реакторов через верхний
разъем после демонтажа распределителя воздуха с помощью
специального бункера. В агрегатах АМ-70 никелевый катали-
затор защищен сверху алюмохромовым катализатором, на ко-
торый укладывают шестигранные корундовые плитки с отвер-
стиями (центральные плитки отверстий не имеют). Сопротивле-
ние всего слоя катализатора составляет не более 1,0-10s Па.
Температура газа на выходе из слоя катализатора при задай-
ном количестве остаточного метана и расходе воздуха, опреде-
76
Рис. 2.28. Шахтный реактор паровоздушной конверсии метана П-й ступени:
а) Общий вид:
1 — корпус; 2 — верхний штуцер с пробкой; 3 — высокоглиноземистый огнеупорный бе-
той- 4 — теплоизоляционный бетон; 5 — сборный газоход из глиноземистых блоков; 6 —
колосниковая решетка из огнеупорного кирпича; 7 — металлическая сетка из жаропроч-
ной проволоки; 8 — нижний боковой штуцер с пробкой; У—штуцеры термопар; 10 — слой
из высокоглиноземнстых шаров; 11 — катализатор;
б) Сборный газоход и решетчатая кирпичная насадка из высокоглиноземистых мате-
риалов:
1, 2, 3, 4, 9 — фасонные огнеупорные блоки сборного газохода; 5, 8 — огнеупорные кир-
пичи специальной формы; 6, 7 — огнеупорные кирпичи насадки и верхней решетки;
в) Компоновка смесителя, реактора, передаточного и секционных коллекторов трубчатой
печи:
1 — передаточный коллектор; 2— выносной смеситель; 3 — шахтнь*1й реактор; 4— загру-
зочный люк шахтиого реактора; 5 — котел-утилизатор.
77
ляемом стехиометрическим показателем конверсии, зависит от
теплового баланса реактора. Это значит, что температура ис-
ходных потоков должна быть не .ниже указанной в регламенте,
а содержание метана (в сухом газе) на входе в реактор не
должно превышать 8—10% (об.). В противном случае темпера-
тура газа на выходе будет снижаться, а концентрация остаточ-
ного метана возрастать.
Процесс в шахтном реакторе контролируют термопарами,
установленными на входе реакционных потоков, в слое катали-
затора и на выходе газа из реактора. Ниже приведены некото-
рые характеристики промышленных шахтных реакторов
Производительность, т/сут (по NH3) .... 1360—1400
Рабочее давление, 105 Па.................... 30—31
Объем катализатора, м3........................38
Объемная скорость (по сухому газу на входе),
ч~‘............................................. 4000
Общая высота, м...............................20
Наружный диаметр, м........................5,2
Тепло конвертированного газа используют для получения
пара в котлах-утилизаторах, из которых конвертированный газ
направляют на конверсию оксида углерода.
Бетонную футеровку шахтных реакторов наносят методом
торкретирования (напыления) в 2—3 слоя или заливают в а-
лубку. Общая толщина футеровки достигает 270—350 мм.
Днище шахты реакторов представляет собой сферическую
или плоскую решетку (свод) из высокоглиноземистых фасон-
ных кирпичей (см. рис. 2.28).
Основное требование к химическому составу жароупорных
бетонов, которыми футеруют работающие при повышенном дав-
воздух
лении шахтные реакторы,—
минимальное содержание ди-
оксида кремния. Под давлени-
ем 30-10s Па и при высокой
температуре диоксид кремния
образует с водяным паром ле-
тучие гидраты кремния, кото-
рые в дальнейшем оседают на
теплообменных поверхностях
котлов-утилизаторов и на ка-
тализаторе конверсии оксида
углерода в виде твердого ди-
оксида кремния, резко ухуд-
шая теплопередачу в котлах-
Рис. 2.29. Распределитель воздуха корпус-
ного типа:
1 — внутренний корпус; 2 — наружный кор-
пус; 3 — ребра жесткости; 4 — перфориро-
ванное кольцо для пропуска конвертиро-
ванного газа; 5~-патрубок; 6—сопла.
78
утилизаторах и дезактивируя катализатор. Внутренний слой
футеровки, контактирующий с парогазовой смесью, не должен
содержать более 1—3% диоксида кремния.
Надежная работа реактора (отсутствие байпасов конверти-
рованного газа) во многом определяется качеством футеровки,
поэтому к пей предъявляют повышенные требования. Глубокие
трещины приводят к опасным перегревам корпуса, поэтому в
целях безопасности почти все промышленные корпуса снабжа-
ют наружной водяной рубашкой. Шахтные реакторы, не имею-
щие водяной рубашки, футеруют в два слоя и покрывают тер-
мочувствительной краской для обнаружения перегрева.
Конверсия оксида углерода водяным паром
Конверсию оксида углерода проводят после конверсии ме-
тана. Основным ее назначением является превращение образо-
вавшегося при конверсии метана оксида углерода в водород по
реакции
СО+Н2О= СО2 + Н24-41 кДж/моль (2.31)
В промышленности наиболее целесообразно проводить реак-
цию при таких условиях, чтобы обеспечить 'возможно полное
превращение оксида углерода для получения большего количе-
ства водорода, являющегося целевым продуктом. В новых схе-
мах производства аммиака остаточный оксид углерода гидри-
руется в метан, который является балластом в синтез-газе, на-
капливается в циркуляционном газе и удаляется при продувках
вместе с водородом, азотом и аммиаком. Чем больше в газе
остается СО, тем больше водорода расходуется на его гидриро-
вание и тем больше потери азотоводородной смеси с продув-
ками.
В крупных агрегатах производства аммиака осуществляется
глубокая конверсия до остаточной концентрации оксида угле-
рода 0,2—0,5% .[36, 37, 44]. При этом оказывается, что при
снижении концентрации СО на 0,1% количество продувочных
газов снижается примерно на 10%, а производительность по
аммиаку увеличивается на 0,7—1 % [45].
Конверсия оксида углерода является обратимой и экзотер-
мической реакцией. Согласно правилу Ле-Шателье, она проте-
кает тем полнее, чем ниже температура, при этом изменение
давления влияния не оказывает. Степень конверсии СО можно
повысить также за счет увеличения содержания пара в реак-
ционной смеси или удалением диоксида углерода из конверти-
рованного газа [36].
Взаимодействие оксида углерода с водяным паром происхо-
дит только в присутствии катализаторов и температура, при
которой можно осуществить процесс, определяется их активно-
стью. Нижний предел температуры определяется условиями
конденсации водяного пара, так как существующие катализа-
торы предназначены для работы в газовой фазе. Поскольку ре-
акция протекает с выделением тепла, температура в слое ка-
79
тализатора повышается, и для увеличения степени превраще-
ния необходимо начинать процесс при возможно низкой темпе-
ратуре, что определяется активностью катализатора, и органи-
зовывать промежуточный отвод тепла.
Увеличение количества 'водяного пара в парогазовой смеси,
подвергающейся конверсии, экономически невыгодно. Процесс
обычно проводят с тем количеством пара, которое остается
после конверсии метана, соотношение пар : газ составляет, как
правило, 0,4—0,7. Промежуточное удаление диоксида углерода
связано с дополнительными затратами и используется обычно,
когда требуется получать очень чистый водород.
В современных аммиачных агрегатах конверсию оксида угле'
рода проводят в две ступени под давлением (20—30) • 105 Па
[36, 37, 46, 47]. В первой ступени на железохромовом (средне-
температурном) катализаторе конвертируется 'большая часть
оксида углерода и температура повышается от 320—380 °C на
входе в аппарат до 400—450 °C на выходе из него. Тепло реак-
ции используется в котлах-утилизаторах для получения пара.
Вторую (низкотемпературную) стадию осуществляют на медь-
содержащем катализаторе при 200—250 °C, и поскольку перера-
батывается незначительное количество СО, температура в слое
катализатора повышается на 15—20 °C. Нижний температурный
предел ограничен, как указывалось выше, точкой росы и со-
ставляет в условиях рассматриваемых агрегатов 180—190 °C,
так как конденсация влаги на низкотемпературном катализа-
торе приводит как правило к его разрушению.
Повышение давления способствует увеличению скорости ре-
акции. В связи с тем, что в промышленности процесс происхо-
дит во внутридиффузионной области, повышение скорости не
пропорционально давлению. Экспериментально установлено,
что для большинства катализаторов скорость возрастает при-
мерно в У-Р раз. Это учитывают при выборе объемной скорости
процесса. Так, в промышленности процесс проводят при объем-
ных скоростях от 2000 до 4000 ч-1.
Катализаторы конверсии оксида углерода
Для первой ступени конверсии применяют железохромо-
вые среднетемпературные или, как их называют за рубежом,
высокотемпературные катализаторы. Во второй ступени исполь-
зуют низкотемпературные медьсодержащие контакты [36, 37,
47—50]1. Отечественный железохромовый катализатор выпуска-
ют под маркой СТК в таблетированном и формованном виде.
Основные характеристики' катализатора приведены в
табл. 2.8. В обозначении марок катализаторов первая циф-
ра после СТК обозначает способ изготовления катализатора:
1 — экструдированный, приготовленный смешением оксида же-
леза с хромовым ангидридом, 2 — таблетированный, приготов-
ленный смешением гидроксида железа с хромовым ангидридом.
80
Вторая цифра обозначает диаметр гранул в мм, буква М — ка-
тализатор модернизированный. В настоящее .время освоен вы-
пуск модернизированного катализатора марок СТК-1М-5 и
СТК-1М-7, который успешно прошел промышленные испытания.
Большинство зарубежных фирм выпускает таблетированные
железохромовые катализаторы, которые имеют лучший товар-
ный вид. Можно было предположить, что у них будут выше и
прочностные показатели. Однако многолетний опыт работы с
импортными и отечественными катализаторами показывает, что
катализатор марок СТК-1-5 и СТК-1М-5 имеет очень близкие
прочностные характеристики с таблетированными катализато-
рами размером 5X5 мм.
В табл. 2.9 представлены сравнительные характеристики
основных свойств наиболее распространенных промышленных
типов железохромового катализатора.
Как видно из таблицы, все катализаторы близки по основ-
ному химическому составу: содержат около 90% оксида железа,
6—10% оксида хрома и 0,1—0,5% серы. Указанное соотноше-
Т а б лица 2.9. Характеристика железохромовых катализаторов различных
марок
Тип катализа- тора, страна- изготовитель (форма и размер гранул, мм) Содержание на прокаленное вещество, % Потери массы, % Объемная усадка гранул, % Удельная поверх- нонсть*, 103 м2/кг Общая пори- стость*, % Механическая проч- ность*, 105 Ы/м2 Активность при 350 °C, 10-3 м3/(кг-с)
Fe на FenOa Сг на СгэОз S на ЗОз
СТК-1-5, СССР (экструдаты 5Х5-4-20) 92,0 7,0 0,3 1,о 0,0 25—39 60 30—50 1,2—1,6
СТК-1-7, СССР (экструдаты 7x54-20) 92,0 7,0 0,3 1,0 0,0 25—30 60 20—45 1,1—1,6
СТК-2М9 СССР (таблет- ки 9X9) 87,0 7,0 0,4 1,с 1,0 30 50 30—50 1,8—2,0
1030, ГДР (таблетки 6X6) 90,2 7,9 0,39 6,1 3,5 40 53 36 0,9—1,0
С J2-1, США** (таблетки 10X5) 89,1 9,3 0,1 3,2 1,0 40 75 25—50 1,1—1,6
С-12-3-02, США (таблетки 10x5) 15-4, Англия (таблетки 9x9) 93,3 6,9 0,2 14,6 7,0 47 81 31 1,2
89,2 8,0 0,29 10,8 8,0 36 67 33 1,2
15-5, Англия (таблетки 4x4) 90,7 7,5 0,28 4,6 5,0 37 75 27 ’1,2
* После прокаливания при 500 °C.
** Из поставок фирмы ТЕС.
82
ние железа и хрома в катализаторе, согласно литературным
данным [44], является оптимальным. В качестве основной фазы
в исходном состоянии катализаторы содержат неферромагнит-
ный оксид железа (аРе20з). Введенный хром внедряется в.
кристаллическую решетку оксида железа. В условиях конвер-
сии оксида углерода оксид железа аРегО3 восстанавливается
до Fe3O4 и в нем растворяется оксид хрома.
Разница в активности, определенной в кинетическом режи-
ме (зерно диаметром 1—2 мм), достигает 40—50%. При этом
различия в удельной активности также не превышают 40—50%.
Удельная поверхность катализаторов в прокаленном состоянии
составляет 25—40 м2/г.
По пористости, механической прочности, а также по потере
массы и усадке гранул при прокаливании некоторые катализа-
торы различаются значительно. Зарубежные катализаторы, как
указывалось выше,—-это спрессованные из порошков таблетки,
а катализаторы СТК-1-5 и СТК-1-7 получены из пасты экстру-
зией.
Катализаторы, полученные экструзией, имеют бидисперсную
пористую структуру, включающую поры с эффективным радиу-
сом (150—250)/10_ 8 м и крупные поры радиусом около
5000-10~8 м. В таблетированных катализаторах крупных пор
нет, мелкие поры с эффективным радиусом также 15,0—25,0“7 м
составляют разные объемы.
Неодинаковые свойства катализаторов можно объяснить раз-
, личием в способах и условиях приготовления. Целенаправлен-
ным изменением условий приготовления катализатора можно
добиться повышения его качества.
Увеличение производительности желеэохромовых катализа-
торов может быть достигнуто за счет повышения их удельной
каталитической активности в результате введения в состав про-
мотирующих добавок. Лучшим промотором является калий. На
основании исследований, выполненных в ГИАПе, созданы мо-
дернизированные катализаторы, превосходящие имеющиеся по-
зитивности (в кинетическом режиме) в 2,5—3 раза.
Согласно техническим условиям качество промышленного
железохромового катализатора определяется его активностью,
выражаемой константой скорости или механической прочно-
стью. Эти характеристики трансформируются в промышленных
условиях в такие эксплуатационные показатели, как объемная
скорость и сопротивление конверторов (шахтного или полочно-
го типа). В табл. 2.10 приведены данные об изменении указан-
ных характеристик катализатора различных марок по мере
усовершенствования желеэохромового катализатора. Здесь же
приведены перспективные показатели, которые реально будут
достигнуты в ближайшие годы.
Изменение механической прочности (разрушение катализа-
тора) в процессе эксплуатации приводит к значительному по-
вышению (иногда на порядок) сопротивления слоя катализато-
6* 83з
Таблица 2.10. Характеристики среднетемпературного катализатора
.конверсии оксида углерода
Марка катализатора (год начала выпуска) Активность, К350 °C 103 м3/(мг-с) Механиче- ская проч- ность по об- разующей, I0-5 Н/м2 Объемная скорость в промышленном агрегате, ч~1
482 (1970) 0,6—1,2 30 1000—1300
482 (мелкозернистый) (1972) 1,0—1,4 35 2000—3000
СТК-М (1978—1979) 2,0—3,0 35 3000—4000
Перспективный образец 4,0—5,0 40 5000 и более
ра и является 'Причиной его преждевременной перегрузки. Та-
кие случаи достаточно часты при использовании полочных или
шахтных конверторов зарубежными фирмами. В отечественных
агрегатах применяют радиальные аппараты, сопротивление ка-
тализатора в которых в процессе работы меняется незначитель-
но. Однако при разрушении катализатора возможны дополни-
тельная усадка и байпасы. Опыт эксплуатации радиальных ап-
паратов и отечественных катализаторов показывает, что для
надежной длительной эксплуатации механическая прочность
(по образующей) должна составлять 30—40-10Б Н/м2.
Активной фазой железохромового катализатора является
тетраоксид трижелеза Fe3O4, образующийся в процессе восста-
новления. В катализаторе образуется твердый раствор Fe3O4X
ХСг2О3 шпинельного типа — происходит замещение ионов
Fe3+ в кристаллической решетке Fe3O4 ионами Сг3+. Оксид хро-
ма рассматривается как стабилизатор активного компонента.
Избыток оксида хрома в виде свободной фазы снижает актив-
ность катализатора (это возможно при содержании оксида хро-
ма выше 10—15%).
Ядами для железохромовых катализаторов являются соеди-
нения кремния, фосфора, бора, мышьяка, непредельные углево-
дороды, а также сернистые соединения. Органические серни-
стые соединения в присутствии водяного пара на катализаторе
конвертируются в сероводород, который реагирует с ката-
лизатором, образуя FeS:
FesO4 3H2S + Н2 ч——3FeS -р 4Н2О -|- 79,5 кДж/моль (2.32)
Реакция обратима, и в зависимости от соотношения пар : газ
и температуры возможно как поглощение серы, так и выделе-
ние ранее поглощенной серы в парогазовую смесь. Образую-
щийся сульфид железа, так же как и Fe3O4, катализирует реак-
цию конверсии, но по сравнению с последним гораздо менее
активен. Отравление катализатора серой является обратимым.
Парогазовая смесь может содержать и неядовитые примеси,
такие, как пыль, сажа, соли (из пара и конденсата): они откла-
дываются на поверхности катализатора, забивают его поры, что
84
приводит к снижению активности и прочности катализатора, а
также к росту его сопротивления.
Неблагоприятное влияние на активность катализатора ока-
зывает перегрев. При 530 °C начинается снижение каталитиче-
ской активности, при 630 °C активность падает быстро.
Для обеспечения длительной устойчивой работы железохро-
мовых катализаторов необходимо правильно их транспортиро-
вать, хранить, загружать и восстанавливать, соблюдать техно-
логический регламент при эксплуатации, не допускать попада-
ния на катализатор вредных примесей.
Очень важно обеспечить работу катализатора в оптималь-
ном температурном режиме, используя повышенную активность
свежего катализатора для работы при относительно низкой
температуре в начальный период эксплуатации. В процессе ра-
боты катализатор стареет (происходит некоторое снижение ак-
тивности), и для сохранения требуемой степени конверсии тем-
пературу следует постепенно увеличивать.
Катализаторы различных марок необходимо применять с
учетом технологических аппаратурных особенностей процесса.
Для крупных агрегатов производства аммиака рекомендуется
катализатор СТК-1-5, желательно высший сорт (с меньшим со-
держанием серы), лучше всего использовать катализатор
СТК-1М-5.
Перед эксплуатацией катализатор обычно восстанавливают
реакционной газовой смесью при объемной скорости 150—
200 ч-1. Восстановление железохромового катализатора начи-
нается уже при температуре 170—180 °C и протекает со значи-
тельной скоростью. В крупных агрегатах производства аммиака
эта операция не рассматривается как самостоятельная, восста-
новление протекает обычно в процессе разогрева и набора дав-
ления. Подъем температуры после нагрева до 170°С и подачи
реакционной газовой смеси (после конверсии метана) осущест-
вляют примерно со скоростью 40—50 °C в час. Давление также
поднимают постепенно, сначала до 10-106 Па. Скорость подъе-
ма давления и температуры регулируется в зависимости от кон-
кретных условий. Восстановление заканчивается при 320 °C.
При проведении восстановления необходимо учитывать, что на-
грев выше 500 °C не допускается, так как это приводит к сни-
жению активности: при 500—550 °C — к частичному, а при
630—650 °C — к значительному, обусловленному изменением
фазового состава катализатора.
Процесс восстановления сопровождается выделением тепла:
1
3Fe2Os-|-Ha < " > 2FesO4-|-Н2О + 9,6 кДж/моль (2.33)
3Fe2Os + CO < 2FesO4 + СО2-|-50,6 кДж/моль (2.34)
. В отсутствие водяного пара или при его недостатке может
•происходить перевосстановление катализатора с образованием
металлического железа, которое является катализатором силь-
85
но экзотермической реакции метанирования:
СО + ЗН2 СН4 + Н2О 4-206,4 кДж/моль (2.35)
Для предотвращения перевосстановления газ должен содер-
жать не менее 15% водяного пара.
Если соотношение пар : СО меньше 1, на железохромовом
катализаторе в 'процессе ‘восстановления протекает еще одна
нежелательная реакция:
2СО < >. С 4~ СО2 4~ 172,5 кДж/моль (2.36)
Образующийся углерод откладывается на поверхности ката-
лизатора, что приводит к сильному и быстрому снижению его
активности.
В случае если газ-восстановитель содержит оксид углерода,
то по мере восстановления начинает протекать и конверсия:
СО 4- Н2О .Н2 СО2 41 кДж/моль
В результате выделяется дополнительное тепло. Конверсия
1 % СО вызывает повышение температуры приблизительно на
8—10 °C.
При восстановлении катализатора из него выделяется серо-
водород. Большая часть содержащейся в катализаторе серы свя-
зана в FeSO4, реагирующий с водородом и водяным паром:
FeSO4 4- 4Н2 -> FeS 4- 4Н2О (2.37)
3FeS 4- 4Н2О FesO4 4- 3H2S 4- Н2 — 75 кДж/моль ,(2.38)
В среднетемпературных промышленных катализаторах со-
держится в среднем 0,3% серы. Если эта сера полностью выде-
лится в газ в процессе восстановления катализатора и началь-
ный период эксплуатации, этого количества достаточно, чтобы
далее сильно отравить низкотемпературный катализатор, поэто-
му после восстановления до подачи газа на НТК сера должна
быть удалена из катализатора, т. е. проведено его обессерива-
ние.
Стадия обессеривания железохромового катализатора явля-
ется самостоятельной операцией. Обессеривание протекает тем
быстрее, чем выше температура, соотношение пар : газ и объем-
ная скорость. Самым эффективным фактором является увеличе-
ние соотношения пар : газ. С высокой скоростью процесс проте-
кает при 400 °C и соотношении пар : газ тс3, в этом случае в
крупном агрегате обессеривание можно провести за 1—1,5 сут.
Однако в действительности не удается реализовать эти условия.
Температуру обычно устанавливают на уровне 340—380 °C,
а соотношение пар : газ составляет 1,4—1,5, при этом процесс
завершается за 2—2,5 сут. На низкотемпературный катализатор
допускается подавать газ с содержанием не более 0,5 мг S/m3.
Для обеспечения устойчивой работы железохромового ката-
лизатора необходимо исключить возможность попадания и®
86
него таких примесей, как фосфор, кремний, бор, концентрация
в газе сажи и пыли не должна быть более 1 мг/м3, солесодер-
жйние в паре и конденсате должно быть не более 2,5 мг/л, а со-
держание кремния и хлора — 0,1 мг/л.
Температуру в слое катализатора необходимо поддерживать
по возможности минимальной и корректировать ее по остаточно-
му содержанию оксида углерода. Она не должна 'быть выше
530 °C, так как при более высоких температурах происходит
спекание катализатора и снижение его активности.
В отсутствие водяного пара с большой скоростью протекает
реакция Будуара (2СО = С + СО2), катализатор зауглерожива-
ется и теряет активность, практически полная потеря активно-
сти может произойти в течение нескольких минут.
Восстановленный катализатор пирофорсп, при соприкосно-
вении с воздухом он окисляется с большим выделением тепла,
поэтому перед выгрузкой он должен быть запассивирован.
Желеэохромовы'С катализаторы весьма устойчивы при экс-
плуатации, в течение 4—5 лет практически не снижают актив-
ности, срок их службы, принимаемый в проектах, составляет
4—5 лет, а норма расхода — 0,05—0,06 кг/т NH3. Основной при-
чиной перегрузки катализаторов является снижение механиче-
ской прочности и измельчение катализатора, что в шахтных и
полочных конверторах приводит к значительному росту сопро-
тивления слоя катализатора.
Вторая ступень конверсии оксида углерода осуществляется
на низкотемпературном катализаторе НТК-4. Ниже приведены
основные показатели этого катализатора:
Химический состав, %, в пересчете иа
СиО.......................................
Сг2О3 ..................................
А12О3 ..............................
ZnO.....................................
Na2O ...................................
S .....................................
Cl .....................................
Содержание влаги, %, не более .
Потери при прокаливании при 1000°C, %,
не более ..................................
Насыпная плотность, кг/м3..................
Механическая прочность на раздавливание
по основанию таблетки, 105 Н/м2
средняя ................................
минимальная ............................
Размер таблетки, 10 ‘3 м...................
54+3
14,0=1=3
19,6+2,0
11,0+1,5
<0,2
<0,2
<0,02
37 = 1
13
1650—1750
250
170
5X5 или 6x4
Активность катализатора в соответствии с техническими ус-
ловиями определяется динамическим способом при атмосфер-
ном давлении и оценивается по остаточному содержанию окси-
да углерода.
Ниже приведены значения констант скоростей для катали-
затора НТК-4, полученные на проточно-циркуляционной уста-
новке в кинетическом режиме, и на целых таблетках и харак-
87
теристики пористой структуры; данные являются усредненными
и используются в ГИАПе как стандартные при оценке качества
различных низкотемпературных катализаторов:
Активность в кинетическом режиме при
225 °C (константа скорости), с-1 .... 13,5±0,5
Активность и а целой таблетке при 225 °C
(константа скорости), С“*........3,25±0,25
Пористость, % (Ю3 м3/кг).............36 (0,2)
Преобладающий радиус пор, м . 25,0-10~7
Удельная поверхность, 103 м2/кг .... 60
Для железохромовых катализаторов, выпускаемых разными
производителями, химический состав и методы их приготовле-
ния весьма близки, но для низкотемпературных катализаторов
они существенно различаются. Содержание меди (в пересчете
на СиО) меняется в пределах от 25 до 50%. В промышленных
катализаторах в исходном состоянии медь находится в виде
оксида или соединений шпинельного типа. При восстановлении
образуется значительное количество металлической меди. Най-
дены корреляции между каталитической активностью и дисперс-
ностью металлической меди и величиной медной поверхности
[36, 37, 45, 47, 51—54]. Было сделано предположение, что от-
ветственной за каталитическую активность является нольва-
лентная медь в мелкодисперсном состоянии. Поэтому медь
должна быть хорошо застабилизирована, чтобы не рекристалли-
зовываться во время эксплуатации. С этой целью в контакты
вводятся стабилизирующие добавки. Высокой активностью об-
ладают катализаторы, в которых размер кристаллов меди со-
ставляет (80—150) • 108 м '.[36, 37, 51—54].
Роль стабилизирующих добавок выполняют оксиды цинка,
хрома, алюминия, магния, титана и др., хорошими стабилиза-
торами являются также соединения шпинельного типа; высокой
устойчивостью обладает медь, входящая в состав твердого рас-
твора со стабилизирующим компонентом необходимо, чтобы ста-
билизирующие добавки были устойчивы и не рекристаллизовы-
вались в процессе конверсии.
С этой точки зрения наилучшей добавкой является оксид
алюминия. Кроме того, при выборе добавок следует исходить
из того, чтобы они связывали вредные примеси газа, защищая
тем самым активный компонент от отравления. Такую роль в.
НТК играет ZnO, который поглощает соединения серы и хлора.
Небольшие количества оксида хрома помимо стабилизирующе-
го действия повышают прочность катализатора. Согласно [55
56] высокую удельную каталитическую активность при низкой
температуре (200—250 °C) в реакции конверсии оксида углеро-
да проявляют смешанные хромиты меди, в которых в результа
те восстановления Си (II) переходит в Cu(I), оставаясь в ре-
шетке шпинели, и высокая активность катализатора связыва-
ется с ионами Cu+1, находящимися в определенном координа-
ционном окружении [57]1 Таким образом, однозначных данных
88
Таблица 2.11. Содержание меди и стабилизирующих добавок
в катализаторах различных марок
Марка ка- тализатора Страна Фирма Содержание СиО, % Стабилизирующие добавки
С-18-1 США ССЕ 25 ZnO, А120з
С-18-НС США ССЕ 42 ZnO, AI2O3
1962 ГДР Leina 45 ZnO, А12Оз, Сг2О8 5
52-1 Англия ICI 30 ZnO, А12Оз
НТК-4 СССР 54 ZnO, AI2O3, СГ2О3
о том, что является активным компонентом катализатора, в
литературе не имеется. Можно полагать, что и металлическая
медь, и медь, находящаяся в решетке шпинели, вносят свой
вклад в каталитическую активность.
В процессе приготовления катализаторов обязательно долж-
на быть достигнута высокая степень гомогенизации и диспер-
гирования компонентов катализаторной массы.
В табл. 2.11 приведены данные о составе наиболее распро-
страненных промышленных катализаторов.
В табл. 2.12 приведены основные характеристики отечест-
венного катализатора НТК-4 и применяющихся у нас зарубеж-
ных образцов.
Приведенные в таблице характеристики близки, однако
НТК-4 имеет большую .стабильность, и за счет этого у него
больше срок службы.
Низкотемпературные катализаторы разработаны и применя-
ются в промышленности сравнительно недавно, они подверга-
Таблица 2.12. Характеристика смешанного (НТК-4)
и осажденных катализаторов
Характеристика Марка катализатора
52-1 С-18-1 С-18-НС НТК-4
Насыпная плотность, 103 кг/м3 0,9—1 1,0—1,2 1,4 1,6—1,8
Р по торцу 360 390 300 410
Прочнишь р по 0браз_ 10= П/М8 60 32 55 82
Содержание СиО, % 30 25,0 42,0 50,0
Пористость, 103 м3/кг 0,35 0,25 0,22 0,20
% 60,0 42,0 48,5 36,0
Удельная поверхность, 10= м2/кг 70 64 45 63
Удельная поверхность меди, 103 м2/кг 32,2 13,0 13,3
Дисперсность Си после восстановле- ния, 10-8 м Активность на целом зерне при 225 °C с-1 120 140 145
з,о 3,5 3,6 3,6
10~3 м3/(кг-с) 1,55 1,55 1,35 1,20
Потеря активности после иагрева до 450 °C, % — 53,0 40,0
89
Таблица 2.13. Характеристика катализаторов различных марок
Марка катализатора, год начала выпуска Активность при 225 °C, 10-3 м3/(кг-с) Объемная ско- рость, Ч“1 Срок службы, годы
НТК-1, 1970—1975 2—3 1500 1
НТК-4, 1973 —наст, время 5—6 200—3000 2—3
НТК-8, 1978—наст, время 9—10 3000—4000 4
Перспективный образец 10—15 5000 5
ются непрерывному совершенствованию. Табл. 2.13 характери-
зует улучшение основных свойств отечественного катализатора.
Катализатор НТК-8 — наиболее совершенный образец, про-
изводство которого в крупном масштабе планируется начать в
ближайшее время.
При эксплуатации низкотемпературных катализаторов под
давлением процесс сильно тормозится диффузией, проходит в
глубокой вцутридиффузиоппой области, в результате чего сте-
пень использования таблетки катализатора не превышает 10%.
В табл. 2.14 приведены значения относительной активности ка-
тализатора НТК-4 в зависимости от размера гранул и давле-
ния процесса.
Из приведенных данных видно, что резервом для повышения
активности является увеличение степени использования таб-
летки, чего можно достичь за счет изменения пористой структу-
ры. 'катализатора, в частности заменой таблетирования формо-
ванием, или созданием таблеток новой геометрической формы
с развитой геометрической поверхностью.
Основными свойствами низкотемпературного катализатора,
от которых зависят показатели работы промышленных аппа-
ратов, являются активность, стабильность и механическая проч-
ность. Эти свойства предопределяются технологией приготовле-
ния катализатора. Однако для сохранения высокой активности
при эксплуатации катализатор должен быть правильно восста-
новлен, от условий восстановления зависит и его стабильность.
Чем при более низкой температуре проведено восстановление
катализатора, тем выше его первоначальная активность и тем
больше срок службы.
Таблица 2.14. Относительная активность катализатора НТК-4
при различных давлениях
Размер гранулы (таблетки) катализатора, мм Активность
1-10= Па 30-Ю5 Па
1,5X1,5 1 1,5
5X5 0,4 1,15
8X8 0,17 0,78
90
Таблица 2.15. Механическая прочность катализатора НТК-4
по торцу (А) и по образующей (Ро), определенная
на приборе МП-9С
Образец Механическая прочность, 10—5 Н/м2
р т.ср р о.ср р т.мин р О.мин
Свежий катализатор 412 282 82 44
Катализатор после пребывания во влажном воздухе, 1,7% 376 261 66 44
Катализатор после пребывания во влажном воздухе, 5% 236 147 45 29
Катализатор, подсушенный после пребывания во влажном воздухе 477 322 89 67
Катализатор после смачивания 250 124 57 33
Катализатор, подсушенный после смачивания 425 312 98 73
Катализатор после восстановления и пассивации 340 238 64 49
Восстановленный катализатор после смачивания 316 196 60 36
Восстановленный катализатор, под- сушенный в токе азота, после смачи- вания 430 318 70 52
Активность катализатора и его стабильность могут изме-
няться в процессе эксплуатации под воздействием реакционной
среды и температуры, а также вредных примесей, содержащих-
ся в газе и паре.
Механическая прочность катализатора определяется усло-
виями его формования. В отличие от активности и стабильно-
сти она сильно зависит от условий хранения, транспортировки
и загрузки его в конверторы и может существенно снизиться
до начала эксплуатации и даже до загрузки в аппараты.
В ГИАПе были проведены исследования влияния увлажне-
ния на прочностные свойства катализатора. Катализатор выдер-
живали во влажной атмосфере, смачивали водой до и после
восстановления и определяли прочность. Проводили также под-
сушку увлажненного катализатора. Полученные результаты
приведены в табл. 2.15.
Из приведенных данных можно сделать вывод, что катали-
затор значительно теряет прочность в результате увлажнения
как в свежем, так и в восстановленном состоянии и лишь после
подсушки катализатора при 100—НО °C прочность восстанав-
ливается.
Для предотвращения разрушения не рекомендуется бросать
и катать барабаны с катализатором, при загрузке катализато-
ра в аппараты высота падения не должна превышать 1 —1,5 м.
Катализатор должен храниться на теплом складе, не допуска-
ется попадание на него влаги (дождь, снег), содержание пыле-
видных частиц в катализаторе должно быть не более 1%. Не
91
рекомендуется производить быстрый сброс давления в конвер-
торе оксида углерода во время остановки агрегата.
Для поддержания оптимальной активности в начале кампа» •
нии желательно установить в конверторе минимально возмож-
ную температуру (200—210 °C) и постепенно повышать ее,
ориентируясь по остаточной концентрации оксида углерода (в
крупных агрегатах производства аммиака она длительное вре-
мя составляет 0,1—0,2%. Увеличивать температуру целесооб-
разно при содержании оксида углерода 0,3%. Не допускается
подъем температуры в процессе эксплуатации даже кратковре-
менный до 300 °C и выше, так как это ведет к снижению актив-
ности катализатора.
Ядами для низкотемпературных катализаторов конверсии
оксида углерода являются главным образом соединения серы
и хлора, а также соединения фосфора, мышьяка, кремния, не-
. насыщенные углеводороды.
В газе, поступающем на катализатор, сера содержится
обычно в виде сероводорода, который послойно связывается ка-
тализатором. Содержащийся в катализаторе оксид цинка свя-
зывает сероводород с образованием сульфида. Поскольку для
образования сульфида меди в условиях конверсии (при 220 °C)
необходимо, чтобы содержание сероводорода составляло
3 мг/м3, что значительно превышает его содержание в реаль-
ном газе, считают, что медь хемосорбирует сероводород. [37].
Активность катализатора падает, если содержание серы в
нем превышает 0,1%. В разных по ходу газа слоях отработан-
ного катализатора содержание серы различно, около 80% всей
серы поглощается лобовым слоем (он содержит до 3% серы).
Среднее содержание серы в отработанном катализаторе со-
ставляет обычно около 1%. Опыт показывает, что НТК явля-
ются хорошими поглотителями сернистых соединений, поэтому
для защиты от сернистых соединений перестали применять
оксидноцинковый поглотитель, вводя дополнительно некоторое
количество низкотемпературного катализатора.
Хлор является более сильнодействующим ядом, чем серово-
дород. Если в катализаторе содержится 0,02% хлора, то его
активность снижается на 30—50%. В отличие от сероводорода,
который полностью связывается катализатором, катализатор
задерживает 40—70% хлора, содержащегося в газе, причем
первые по ходу газа слои катализатора в несколько раз боль-
ше, чем последние. Предполагается два механизма отравления
катализатора хлором: образование малоустойчивого хлорида
меди, при разложении которого образуется медь меньшей дис-
персности, чем в свежем катализаторе [37, 54], и образование
неустойчивого хлорида цинка, в результате разложения кото-
рого происходит рекристаллизация фазы цинка и затем фазы
меди [58]. В обоих случаях хлор сначала связывается катали-
затором, а затем выделяется в газовую фазу и многократно
реагирует с катализатором. Этим можно объяснить его более
92
сильное отравляющее действие и неполное связывание слоем
катализатора. В обоих механизмах снижение активности мож-
но объяснить рекристаллизацией меди.
В парогазовой смеси, поступающей на катализатор, должно
содержаться сернистых соединений не более 0,1—0,2 мг S/m3
й соединений хлора более 0,01 мг/м3 (в пересчете на С1~).
Газовый конденсат перед низкотемпературным катализатором
не должен содержать более 0,01 imt/л соединений хлора (в пе-
ресчете на С1~) и более 2 мг/л соединений серы (в .пересчете
на SO42“). При соблюдении этих норм можно гарантировать
срок службы катализатора не -менее двух лет при объемной,
скорости газа до 3000 ч-1. При более высоком содержании хло-
ра рекомендуется производить специальную очистку парогазо-
вой смеси от хлора поглотителем, разработанным в Советском
Союзе и за рубежом. Отечественный поглотитель ПХ прошел
промышленную проверку.
В газе после среднетемпературной конверсии оксида углеро-
да всегда содержится незначительное количество аммиака (в
конденсате газа после СТК его содержание иногда составляет
500—600 мг/л). Имеются сведения, что аммиак на низкотемпе-
ратурном катализаторе реагирует с оксидом углерода и водоро-
дом, образуя амины. Последние оказывают отравляющее дейст-
вие на НТК, однако подробно образование аминов и их дейст-
вие на НТК не изучалось.
Не допускается подача на катализатор парогазовой смеси
при температуре ниже точки росы (в условиях крупного агре-
гата она составляет 180—190 °C). Обычно температура на вхо-
де в слой катализатора должна быть на 10—15 °C выше темпе-
ратуры точки росы. При конденсации пара в катализатор попа-
дают примеси, содержащиеся в паре, конденсате и газе, что мо-
жет привести к снижению активности и устойчивости, а также
происходит, как показано выше, разрушение катализатора..
Последнее сопровождается повышением сопротивления слоя
катализатора, образованием пыльных мешков, и даже выносом
пыли в последующие за конвертором аппараты, в частности в
аппараты МЭЛ и поташной очистки.
Следует обратить внимание на тот факт, что в присутствии,
аммиака при конденсации водяного пара на катализаторе по-
является возможность образования комплексных соединений-
меди и вымывания ее из катализатора. Такие случаи имели мес-
то в промышленности.
Если катализатор, потерявший активность в результате воз-
действия реакционной среды и температуры, т. е. с частично-
рекристаллизованным активным компонентом, окислить при
температуре 220—250 °C, а затем снова восстановить, его актив-
ность достигнет уровня, -близкого к первоначальному. По дан-
ным фирмы «Топсё», возможно регенерировать и отравленный
катализатор, что, по мнению специалистов фирмы, более целе-
сообразно, чем замена потерявшего активность катализатора
93
[59]. Опыт ГИАП показывает, что срок службы регенериро-
ванного катализатора примерно в три раза меньше, чем свеже-
го, а регенерация занимает длительное время, сравнимое или
большее, чем перегрузка и 'восстановление. В связи с этим та-
кая регенерация считается пока 'нецелесообразной.
Разработан метод химической регенерации выгруженного
или находящегося в конверторе катализатора—-обработка рас-
твором перманганата калия и карбоната аммония при опреде-
ленных условиях [60]. Целесообразным является извлечение из
отработанного катализатора его составляющих, особенно меди,
и перевод ее в соединения, которые можно было бы использо-
вать для приготовления свежего катализатора.
Окончательное формирование активной поверхности ката-
лизатора происходит во время его восстановления. Для полу-
чения активного и устойчивого контакта температура восста-
новления не должна превышать 230 °C, в противном случае бу-
дет происходить рекристаллизация и уменьшение поверхности
активного компонента.
При восстановлении большая часть содержащейся в ката-
лизаторе меди превращается в металлическую. Процесс восста-
новления сопровождается большим выделением тепла. Тепло-
вой эффект реакции восстановления катализатора в несколько
раз выше теплового эффекта реакции конверсии оксида угле-
рода с водяным паром. В связи с тем, что при восстановлении
не допускается повышение температуры в слое катализатора
выше 230 °C, необходимо, чтобы строго поддерживался баланс
тепла, выделяющегося в результате реакции восстановления и
отводящегося газовым потоком, проходящим через катализа-
тор. Газ-восстановитель должен поэтому быть разбавлен боль-
шим объемом инертного газа. Процесс восстановления происхо-
дит послойно в направлении движения газового потока. Зона
восстановления постепенно передвигается в глубь слоя. Восста-
новителями могут служить водород или оксид углерода. Одна-
ко при использовании оксида углерода на восстановленных
слоях катализатора происходит его конверсия за счет имею-
щихся в системе водяных паров, сопровождающаяся выделе-
нием дополнительного тепла, что нежелательно. Как правило,
для восстановления НТК используют азотоводородную смесь
после метанирования.
Лучшим разбавителем является чистый азот, так .как он
содержит минимальное количество вредных примесей. Приме-
нение в качестве разбавителей диоксида углерода и водяного
пара нежелательно, поскольку их использование ведет к сниже-
нию активности и механической прочности катализатора.
Природный газ, который также мог бы служить разбавите-
лем, содержит в своем составе сернистые соединения, от кото-
рых его необходимо тщательно очищать. Кроме того, он содер-
жит .ряд других примесей (например, высшие углеводороды),
влияние которых на свойства НТК не изучено.
94
На предприятиях восстановление катализатора проводят
азотоводородной смесью, дозируемой в азот. Для уменьшения
расхода азота, как правило, применяют циркуляцию. Восстано-
вительный газ не должен содержать в своем составе соединений
серы и хлора.
Процесс восстановления необходимо проводить очень тща-
тельно, постоянно следить за концентрацией водорода, в цирку-
ляционной смеси и температурой в слоях катализатора. Даже
кратковременное увеличение концентрации водорода в азоте
приводит к резкому и быстрому повышению температуры.
Восстановление начинают обычно при 190—200 °C в лобо-
вых слоях катализатора и не (менее 150 °C в последних по ходу
газа. В начале восстановления концентрация восстановителя —
водорода в азоте обычно составляет 0,3 0,5%, постепенно она
увеличивается до 1,2—1,5%, при этом температура в слое ка-
тализатора не должна превышать 230 °C, обеспечивая одновре-
менно полное использование водорода. «Горячая точка» (225—
230 °C) постепенно перемещается вдоль слоя катализатора, а
температура в восстановленной части снижается до 190—
200 °C. К концу восстановления водород перестает расходо-
ваться полностью, и после того, как его содержание на выходе
из катализатора составит 0,2—0,3%, содержание подаваемого
водорода доводят постепенно до 20%.
Объемная скорость при восстановлении должна быть не ни-
же 200—250 ч-1.
Восстановление катализатора обычно проводят при атмос-
ферном давлении или при давлении не более (3—5) 10s Па.
Увеличение давления ведет к значительному повышению скоро-
сти процесса и требует улучшения теплоотвода, т. е. увеличения
количества циркулирующего азота. Кроме того, повышение ско-
рости восстановления неблагоприятно сказывается на формиро-
вании активного компонента, вызывает увеличение его кри-
сталличности.
При восстановлении катализатора ИТК-4 его прочность
снижается на 15—20%. Потеря прочности при восстановлении
контакта С-18-1 составляет — 30%).
Восстановленный катализатор пирофорен, поэтому перед,
выгрузкой из аппарата он должен быть окислен. Опыт эксплуа-
тации низкотемпературного катализатора в промышленности в
крупных агрегатах производства аммиака показал достаточную
устойчивость и активность как отечественного НТК-4, так и им-
портных С-18-1 и С-18-НС образцов. Проектный срок службы
НТК составляет 2 года, а расходная норма на тонну аммиака —
0,11—0,13 кг. На практике катализаторы эксплуатируются от
двух до пяти лет. Основной причиной замены этих катализато-
ров является потеря ими активности (в отличие от железохро-
мовых катализаторов).
Срок службы катализатора определяется главным образом
наличием примесей в газе, качеством конденсата и пара. Для
95
содержание оксида углерода
стигает 0,4—0,5% и остается
Рис 2.30. Схема двухступенчатой конверсии
оксида углерода:
/-увлажнитель; 2 — конвертор I-й ступени;
' _ котел-утилизатор; 4 — подогреватель газа;
5 _ конвертор H-й ступени.
увеличения срока службы ката-
лизатора и обеспечения в течение
длительного времени высокой
степени конверсии (остаточное
содержание оксида углерода не
более 0,2%) необходимо начи-
нать его эксплуатацию при воз-
можно более низкой температуре
(не выше 220°C). В тех случаях,
когда катализатор начинают экс-
плуатировать при 230—240 °C,
быстро (в течение 0,5—1 лет) до-
на этом уровне до конца эксплуа-
тации. „„ипрпсии оксида углерода. Схема
Технологическая схема eDO„a в отечественном агрегате
отделения конверсии оксида углер д
приведена на рис. 2.30. ступени газ имеет'приблизи-
Поступающии в конвертор l-^ 2>__23% N2> 12_ 12,5% СО,
тельноследующии ооста®: 57/о пар: газ со-
стамяет ?0 57-0 66) 1 Небольшое донасыщение газа .паром
ставляет (и,о/ . и,оо; п 1 за счет впрыска в газ
можно осуществить в увлажни^ ковденсата можно регу-
конденсата. Количеством подаваемо10
лировать температуру на входе в ко проводят на железо-
В конверторе 1-ои ступени скорости 2000-3000 ч~‘
хромовом катализаторе пр __ м,ере прохождения че-
и температуре «а входе 3 пяПОГазовой смеси повышается до
К^1лЛо^3а1глР темп'еРатУ'Р поступает в котел-утилиза-
400—450 С. Из -конвертор получения пара давлением
Н05 ’ Гоб)1О°5 пТаИТа^м в газовый теплообменник 4, где
(lUb lub)iu па, а заю |ППГТупаюЩего на метанирование.
осуществляется нагрев газа пост} температуры 210_
При этом парогазовая смес Ц-ой ступени 5. Газ имеет
220 °C и направляется в к'«н,вЛрТО2Р0,5-21 % N2, 2,5-4,0 % СО,
следующий состав. 57 61 % СН4. На низкотемпературном
15 —17/о СО2, 0,23/о Аг и . —250 °C и объемной скоро-
°™ 5™еР°да да
остаточного содержания 0,2 0,, ступень конверсии регу-
Температуру на входе га газа (МИМО котла-утилиза-
то5УавеютсясхТмТ^Г регулирован™ температуры осу-
тора. имеются схемы, гд .пенсата в газ, поступающий в
ществляют также впрыском конце
конвертор.
*96
Для увеличения срока службы и надежности работы низко-
температурного катализатора конверсии оксида углерода во
многих схемах предусматривают специальную очистку парога-
зовой смеси от сероводорода и соединений хлора в специальных
аппаратах или на дополнительно загружаемых в конвертор
П-ой ступени слоях катализатора. Сероочистку проводят обыч-
но на цинковых или цинкмедных поглотителях, а от соедине-
ний хлора — на специальных поглотителях при температурах
П-ой ступени конверсии оксида углерода и объемных скоростях
10 000—20 000 ч-1. Поскольку в газе присутствует значительное
количество пара и процесс идет при высоких объемных скоро-
стях, серо- и хлороемкость поглотителей не превышает 2% и
0,2 % соответственно.
После конверсии оксида углерода П-ой ступени конвертиро-
ванный газ с температурой 240—275 °C проходит охладитель,
где за счет впрыска конденсата охлаждается до 180 °C и по-
ступает в газовые кипятильники моиоэтаполаминной очистки.
Затем в сепараторе он отделяется от сконденсировавшейся в
кипятильниках воды и охлаждается в теплоиспользующих уста-
новках от 140—180 °C до 107 °C, после чего снова охлаждается
в подогревателе, где отдает свое тепло очищенному от СО2 га-
зу (после моноэтаноламинной очистки), идущему на метаниро-
вание. Окончательно конвертированный газ охлаждается до
35—45 °C в воздушном холодильнике. Затем газ проходит сепа-
ратор-'влагоотделитель, где освобождается от конденсата и на-
правляется на очистку от СО2.
Для повышения выхода аммиака и улучшения эффективно-
сти процесса очистки рекомендуется на стадии охлаждения га-
за после НТК. включать в схему установку селективного окис-
ления оксида углерода (рис. 2.31). Процесс называют «Селек-
токсо», он разработан и запатентован фирмой «Энгельгард»
[61, 62] и заключается в том, что оксид углерода, оставшийся
в газе после НТК, селективно окисляется на специальном ката-
лизаторе, содержащем металлы платиновой группы (остаточное
содержание оксида углерода составляет при этом несколько со-
тых долей процента). Образующийся диоксид углерода удаля-
Рис. 2.31. Схема установки
окислении оксида углерода:
1 — теплообменник; 2 — сепа-
ратор-холодильник; 3— ката-
литический реактор.
7—831
97
ется. Сэкономленный таким образом водород, который был
бы израсходован на метанирование остаточного оксида углеро-
да, служит сырьем для получения дополнительного количества
аммиака. С другой стороны, снижение концентрации метана в
синтез-газе позволяет уменьшить объем продувок и повысить
количество продукционного аммиака. В результате достигается
повышение выхода аммиака на 3—5% '(на каждый моль оксида
углерода, подвергнутого1 окислению, может быть получено до-
полнительно 4 моля аммиака). Применение селективной очист-
ки увеличивает срок службы низкотемпературного катализато-
ра конверсии оксида углерода, так как в этом случае содер-
жание оксида углерода после него не обязательно поддержи-
вать на очень низком уровне. Снижение нагрузки на метанатор
также способствует увеличению срока службы катализатора
метанирования. На некоторых установках выгодно увеличивать
количество оксида углерода, выдаваемого на сторону.
Реакция селективного окисления (без потерь водорода) про-
текает в интервале температур 60—150 °C в присутствии не-
большого количества 'водяных паров. При окислении 0,1% СО
температура повышается примерно на 10 °C. Метод применяют
при содержании оксида углерода в газе от 0,1 до 1,0%.
Для окисления обычно рекомендуется использовать воздух
из потока, направляемого в шахтный реактор, что составляет
2—3% от общего количества. Безопасность ввода воздуха долж-
на быть обеспечена надежной системой регулирования и бло-
кировок.
Включение в схему стадии селективного окисления требует
некоторого изменения распределения тепловых потоков, однако
это практически не снижает эффективности процесса. В ГИАПе
разработан и опробован на промышленном газе катализатор
для селективного окисления оксида углерода.
Основные особенности применяемой аппаратуры
Для проведения конверсии оксида углерода применяют
аппараты двух типов — с аксиальным и радиальным ходом га-
за. В аксиальных реакторах парогазовая смесь проходит па-
раллельно оси аппарата через слой катализатора толщиной
3—5 м со скоростью 0,25—0,5 м/с. Сопротивление слоя катали-
затора составляет в зависимости от конструкции аппарата и
продолжительности работы (0,25—5) 10Б Па, причем на сопро-
тивление катализатора приходится основная доля сопротивле-
ния аппарата. В радиальных конверторах парогазовая смесь
проходит через слой катализатора толщиной 1—1,3 м со ско-
ростью 0,03—0,1 м/с перпендикулярно оси аппарата. Гидрав-
лическое сопротивление слоя катализатора составляет незначи-
тельную долю в общем гидравлическом сопротивлении, и в при-
меняющихся в Советском Союзе радиальных конверторах не
превышает 1 -104 Па.
98
Ниже рассмотрены основные типы -аксиальных и радиаль-
ных контактных аппаратов (подробно см. [1]), которые могут
быть использованы на стадиях как сероочистки, так и метани-
рования.
Аксиальные аппараты
Полочные реакторы. В аппаратах этого типа катализатор
располагают слоями на полках, размещенных в цилиндриче-
ском корпусе, Полки могут работать по газу как последователь-
но, так и параллельно. В аппарате на опорную балочную кон-
струкцию укладывают колосниковую решетку, покрываемую
металлической сеткой с размерами ячеек, несколько меньшими
размера зерна катализатора. Поверх сетки насыпают слой кера-
мической или металлической насадки (например, кольца Раши-
та, седла Инталокс и др.), которая препятствует забиванию
сетки частицами катализатора, а затем загружают катализатор.
Сверху опять укладывают металлическую сетку, под которой
размещают слой насадки. Последний 'защищает катализатор от
солей, содержащихся в .паре, которые преимущественно откла-
дываются на элементах насадки. Этот слой выравнивает также
температуры и скорости потока по сечению аппарата. Жела-
тельно, чтобы распределительный слой имел высокую эффек-
тивную теплопроводность, что препятствует конденсации пара
на охлажденных участках.
Полочный конвертор, который используют в крупных агрега-
тах производства аммиака (рис. 2.32), имеет диаметр 3,8 м.
Катализатор располагается на двух полках, работающих па-
раллельно, высота слоя катализатора составляет 4 м, объем
загрузки — 45,5 м3. Аппарат снаружи имеет теплоизоляцию.
Шахтные реакторы. Аппараты этого типа являются разно-
видностью полочных аппаратов (рис. 2.33), катализатор распо-
лагается в один слой, в нижней части аппарата уложены шары
керамические, мулитовые или корундовые диаметром около
20 мм, высота слоя шаров достигает 1,5 м. Па слой шаров
укладывают металлическую сетку, а затем катализатор. Шара-
ми заполняют также патрубки для выгрузки катализатора. На
выходном патрубке устанавливают сетку, -поверхность катали-
затора делают ровной, на нее укладывают металлическую сет-
ку, а затем слой колец Рашига (высотой 250 мм) и прижим-
ную решетку, снаружи аппарат имеет теплоизоляционный слой.
Этот аппарат проще, чем полочный, он не требует установки
сеток, в него легче загрузить катализатор. -Однако, чтобы избе-
жать загрузки высокого слоя катализатора, что может при-
вести -к его разрушению, шахтные реакторы обычно имеют
большой диаметр. В промышленных агрегатах производства
аммиака мощностью 1360 т/сут конвертор шахтного типа име-
ет высоту 12 м, диаметр 5 м, толщина слоя катализатора со-
ставляет 3—4 м. Это вызывает трудности в организации рас-
7*
99
Рис. 2.32. Полочный конвертор оксида углерода:
1 — входной штуцер; 2 — катализатор; 3 — решетка; 4 — выходной штуцер; 5 — разгрузоч-
ный люк; 6 — загрузочный люк.
Рис. 2.33. Шахтный конвертор оксида углерода:
1 — входной штуцер; 2 — термопарный карман; 3 — металлические сетки; 4 — разгрузоч-
ный люк; 5 — выходной штуцер; 6 — керамические шары; 7 — катализатор; 8 — металли-
ческие кольца Рашига; 9 — загрузочный люк.
пределения газа по слою катализатора, которое в аппаратах
аксиального типа никогда нельзя считать удовлетворительным.
Распределение парогазового потока по сечению аппарата.
Серьезной проблемой для аксиальных реакторов является обес-
печение равномерного распределения парогазового потока по
сечению аппарата. В современных конструкциях равномерного
распределения предполагается достичь за счет различных рас-
пределителей и защитно-распределительного слоя.
Основные требования, предъявляемые к распределителям —
это небольшие габариты и простота 'конструкции. Как правило,
указанные требования выполняются, однако можно отметить,
что большинство используемых в настоящее время распредели-
телей не отвечает своему прямому назначению.
Гидравлическое сопротивление. Относительно высокое гид-
равлическое сопротивление, создаваемое в аксиальных реакто-
рах, обусловлено в основном слоем катализатора. В начальный
период эксплуатации сопротивление слоя катализатора состав-
100
ляет (0,2—0,8) 10~s Па, в процессе работы сопротивление посте-
пенно увеличивается до (2—3) 10s Па.
Гидравлическое сопротивление слоя катализатора опреде-
ляется: рядом факторов, основными из которых являются сле-
дующее: размер и форма гранул; количество элементов слоя
в единице объема; ситовой состав (распределение гранул по
размерам); способ засыпки катализатора; конструкция аппара-
та, в котором размещен катализатор; наличие в перерабаты-
ваемом сырье примесей (пыли, солей, смол, полимеризующихся
компонентов и др.); режим эксплуатации (число теплосмен,ко-
лебания расходов, давления и т. д.); механическая прочность
гранул; продолжительность эксплуатации.
Наименьшим гидравлическим сопротивлением при равных
средних размерах гранул обладают катализаторы монодисперс-
ного состава с гранулами правильной формы, шарообразными
или цилиндрическими (с диаметром, равным высоте). Наличие
мелких фракций, осколков, пыли, как правило, ощутимо: иногда
в десятки раз увеличивает гидравлическое сопротивление ката-
лизатора. Аксиальные реакторы чрезвычайно чувствительны
к способу и качеству загрузки катализатора, наличию в пере-
рабатываемом сырье пыли, солей, смол, полимеризующихся
компонентов и др. Даже незначительные отклонения от нор-
мального технологического режима приводят к быстрому воз-
растанию гидравлического сопротивления реактора.
Гидравлическое сопротивление слоя катализатора постоян-
но растет во времени из-за разрушения катализатора, а также
наличия в перерабатываемом газе пыли, солей, смол, легко по-
лимеризующихся компонентов.
Полочные аппараты требуют постоянного контроля за со-
противлением, так как эскплуатация реактора, на котором пре-
вышен лимит перепада давления, недопустима из-за опасности
обрушения полок. Для того чтобы иметь достаточный период
эксплуатации в полочных реакторах, применяют в основном
крупнозернистые катализаторы (размер частиц 5 мм и более).
Гидравлическое сопротивление свежезагруженного катализато-
ра рассчитывают по формуле
— 2g es 'э«
где у — удельный вес смеси, Н/м3; w— скорость иа полное сечение, м/с;
S — удельная поверхность гранул, м2/м3; е — порозность слоя; fa — коэффи-
циент сопротивления; h — высота слоя, м.
Опыт эксплуатации полочных и шахтных аппаратов показы-
вает, что в процессе работы сопротивление существенно воз-
растает. Так, в шахтных реакторах исходное сопротивление со-
ставляет 0,5-10~5 Па, а к моменту выгрузки катализатора уве-
личивается до 2,5—3, а иногда и до 4-10“Б Па. Это приводит
к необходимости перегрузки катализатора, который по показа-
телям активности мог бы еще эксплуатироваться. Из-за роста
101
сопротивления слоя катализатора при резких сбросах давления
были случаи обрушения решеток в промышленных конверто-
рах. Как правило, поставляемый на заводы катализатор содер-
жит пыль и разрушенные гранулы, поэтому перед загрузкой
каждую партию подвергают гранулометрическому анализу.
По данным ГИАП гидравлическое сопротивление катализа-
тора, в котором содержалось до 7% пыли и мелочи, почти в
30 раз превышало гидравлическое сопротивление обеспыленных
образцов. Кроме того, мелкие фракции во время эксплуатации
реактора мигрируют по слою, скапливаясь в местах с наимень-
шими скоростями парогазового потока и увеличивая неравно-
мерность его распределения по объему катализатора. В резуль-
тате ухудшаются технические показатели работы катализатора,
такие, как срок службы, степень конверсии, гидравлическое со-
противление и др.
Если содержание мелких фракций превышает допустимый
предел (~ 1 %), катализатор рассеивают на специальной уста-
новке, оборудованной набором вибрирующих сит, вентилятором
и циклоном для отсоса и сбора пылр. После загрузки опреде-
ленной порции слой разравнивают, чтобы обеспечить более
равномерное распределение порозности по объему, нарушаемое
остаточными мелкими фракциями.
Поэтому неприемлемы любые способы засыпки, которые
оказывают серьезное механическое воздействие на катализатор
(.истирание, раскалывание, разминание гранул). Разрушается
катализатор также при спуске по длинным рукавам с периоди-
ческим встряхиванием и-разминанием их (при запирании рука-
ва), при сбрасывании через загрузочные люки и т. д. Наиболее
пригоден оказался способ загрузки с помощью автоматически
опорожняющегося бункера при высоте падения гранул не бо-
лее 1—1,5 м.
Радиальные аппараты
В радиальных реакторах (рис. 2.34) катализатор распола-
гают в корзинах, образованных коаксиально расположенными
центральной трубой и наружной обечайкой, рабочие поверхно-
сти которых перфорированы ,и покрыты сеткой со стороны ка-
тализатора. Между корпусом реактора и наружной обечайкой
катализаторной корзины образуется кольцевой канал, по кото-
рому либо отводят продукты реакции, либо вводят сырье. Та-
ким образом, в радиальном реакторе имеет место сложное дви-
жение потока одновременно в осевом направлении (по кольце-
вому каналу и центральной трубе) и в радиальном — через
слой катализатора. Радиальные реакторы могут быть двух ти-
пов: Z- и П-образные. В Z-образном реакторе газ в централь-
ной трубе и кольцевом зазоре движется в одном направлении,
в П-образном — в противоположных. Число катализаторных
корзин в реакторе обычно не превышает трех.
102
Рис. 2.34. Радиальный двухкорзииочный конвертор оксида
углерода:
I — загрузочный люк; 2 — корпус; 3 — катализатор; 4 — цент-
ральная перфорированная труба; 5 — наружная перфориро-
ванная стенка катализаторной корзины; 6 — разгрузочный
люк; 7 — катализатор для компенсации усадки.
Распределение парогазового потока по
сечению аппарата. Эффективность работы
радиального реактора в большой мере за-
висит от распределения потока сырья по
высоте слоя катализатора (по оси аппара-
та), которое при некоторых соотношениях
геометрических размеров аппарата и пара-
метров структуры катализатора может
сильно отличаться от равномерного. Одна-
ко в отличие от аксиальных реакторов рас-
пределение потоков в данном случае подда-
ется расчету, так как движение газа в ра-
диальном реакторе симметрично и органи-
зовано системой каналов. Расчет распреде-
ления потока сырья по слою катализатора
в радиальном реакторе базируется на рас-
смотрении движения газа или жидкости в пористом канале. Эта
задача успешно решена.
Гидравлическое сопротивление. Одним из достоинств конст-
рукции радиального реактора является малое гидравлическое
сопротивление, что позволяет использовать мелкозернистые ка-
тализаторы и достигать высоких объемных скоростей газа. По-
скольку в радиальных реакторах газ движется по сложной
траектории, расчет гидравлического 'сопротивления отличается
некоторым своеобразием. Полная потеря давления не может
быть получена как результат суммирования перепадов давле-
ния на отдельных элементах реактора, так как значения АР не
являются аддитивными. Приходится использовать другие адди-
тивные величины, например потери энергии (затраты работы)
на продвижение потока в упомянутых элементах.
Усадка катализатора и паразитные объемы. Катализаторы
конверсии оксида углерода при восстановлении уменьшаются
в объеме (до 7%). Кроме того, во время работы уменьшается
порозность слоя (е) из-за разрушения части гранул. Все это
приводит к усадке катализатора. Для компенсации усадки при-
ходится поверх работающего слоя располагать в радиальной
корзине затворные слои, в которых находится до 10—15% об-
щего объема катализатора. Некоторая часть катализатора, так-
же не участвующая в работе, заполняет днище корзины. Эти
дополнительные объемы катализатора являются для реактора
паразитными. Определенную часть объема реактора занимают
каналы, предназначенные для подвода и отвода потока. В ре-
зультате степень полезного использования объема аппарата в
юз
Рис. 2.35. Горизонтальный каталитический аппарат:
1 — катализатор; 2 — загрузочные люкн; 3 — разгрузочные люкн; 4 — распределительная
решетка.
радиальном реакторе ниже, чем в полочном. Если высота за-
творного слоя выбрана 'неправильно или из-за неудовлетвори-
тельной эксплуатации катализатор сильно разрушился, возмож-
но образование байпасного потока газа мимо слоя катализато-
ра, через освободившиеся отверстия перфорации. В результате
усадки возможно образование и местных байпасов, например
под термопарными карманами. В настоящее время разработа-
ны аппараты, в которых затворный слой катализатора участ-
вует в реакции.
Горизонтальные реакторы
Горизонтальные реакторы включают элементы как полоч-
ных, так и радиальных аппаратов (рис. 2.35) и имеют соответ-
ственно промежуточные значения гидравлических сопротивле-
ний и степени полезного использования объема. Преимущест-
вом горизонтального реактора является возможность использо-
вания коротких слоев катализатора, для которых требования к
прочности гранул менее жестки, в которых меньшее влияние
оказывает усадка катализатора. Однако без принятия дополни-
тельных мер (например, футеровки корпуса или его обдува) го-
ризонтальные реакторы могут работать лишь при ограниченном
перепаде температур на слое катализатора, в противном случае
корпус аппарата и внутренние конструкции могут быть разру-
шены температурными деформациями. Поэтому горизонтальные
реакторы применяют чаще всего для низкотемпературной кон-
версии оксида углерода.
Для горизонтальных реакторов характерны те же особенно-
сти движения и распределения потоков, что и для радиальных
аппаратов.
Сравнительные характеристики аксиальных
и радиальных конверторов оксида углерода
Влияние температурных напряжений на зернистый слой ка-
тализатора в конверторах. Для аппаратуры, загруженной зер-
нистым слоем катализаторов, необходимо учитывать влияние
на него температурных напряжений. Для этого надо рассчитать
104
усилие, которое возникает при охлаждении и нагревании аппа-
рата. При нагревании аппарата вследствие различия в коэффи-
циентах расширения слой катализатора оседает. При последую-
щем охлаждении и сжатии корпуса слой вспучивается лишь
частично, поэтому на него не действуют со стороны корпуса
сжимающие усилия.
Если аппарат охлаждается на Л/ °C, то удлинение (в м)
окружности корпуса составит
б = лйЫ («! — а2/3) (2.40)
где D — диаметр аппарата, м; (ц — коэффициент линейного расширения ме-
талла корпуса, м/(°С-м); «2— коэффициент объемного расширения зернисто-
го слоя, м3/(°С-м3).
Относительное удлинение e = 6/nD=(ai—а2/3)Д/ вызывает
напряжение в металле, характеризующееся модулем упругости
о = еЕ (Е— модуль Юпга).
С другой стороны, при расчете тонкостенных сосудов вели-
чину напряжения определяют по уравнению
c—PDfth (2.41)
где Р — давление, Па; h — толщина стенки, м.
Давление, которое стенки аппарата оказывают на зернистый
слой
2t\fEh (a, — a„/3)
Р =------(2.42)
Для радиального аппарата, в котором зернистый слой рас-
положен между коаксиальными перфорированными цилиндра-
ми (центральной трубой и наружной обечайкой корзины) урав-
нение приобретает вид
2 (1 — <р) Д/ (D — d) £п («х — а2/3)
г — D2 —
где d — диаметр центральной трубы, м; <р — доля свободного сечения пер-
форации.
Давление в радиальном аппарате на слой катализатора при
охлаждении меньше, чем в шахтном, полочном.
Расчеты показали, что при охлаждении аппарата на 100 °C
сжимающее усилие на зернистый слой в аппарате диаметром
3,8 м может достичь 10-105 Па, в то время как давление на дно
аппарата слоя 10 м составляет 1,6-10® Па.
Эти усилия оказывают разрушающее действие на катализа-
торы, поэтому во время эксплуатации желательно исключить
многократные остановки и охлаждение.
Основными характеристиками аппаратов являются рас-
пределение газа в слое катализатора (степень 'использования
объема катализатора) и гидравлическое сопротивление.
Как следует из изложенного выше, процесс конверсии окси-
да углерода в промышленности на средне- и низкотемператур-
105
ном катализаторах протекает во внутренней диффузионной об-
ласти, и, следовательно увеличение степени использования зер-
на (таблетки, экструдата) и эффективности процесса может
быть достигнуто за счет применения катализатора мелкого зер-
нения. В аксиальных аппаратах это невозможно осуществить
из-за сильного увеличения сопротивления катализаторного слоя,
в этом случае возможны минимальные размеры кусочков ката-
лизатора— 5X5 мм. Для радиальных реакторов возможно при-
менение контактов размером до 3 мм, при этом производитель-
ность объема катализатора может (быть увеличена на 30—50%.
Двух- или трехкорзинчатые радиальные аппараты или горизон-
тальные аппараты с небольшой высотой слоя могут дать су-
щественные преимущества при загрузке катализаторов, имею-
щих большую геометрическую поверхность, но обладающие по-
ниженной прочностью, например кольца Рашига, так называе-
мые «многодырчатые таблетки», т. е. катализаторы сложной
геометрической формы, позволяющие значительно увеличить
степень использования объема катализатора по сравнению со
сплошными гранулами — таблетками, экструдатами, шариками.
Аксиальные реакторы обладают 'более высоким гидравлическим
сопротивлением. Радиальные аппараты менее чувствительны к
качеству загрузки и наличию загрязнений в потоке сырья, чем
полочные и шахтные, что не исключает, однако, необходимости
их тщательной загрузки.
На гидравлическое сопротивление существенное влияние
оказывает режим эксплуатации катализатора, особенно в акси-
альных реакторах. Если работа реактора сопровождается час-
тыми остановками, то катализатор разрушается из-за последо-
вательных расширений и сжатий корпуса аксиального реактора
при изменениях температуры, к тому же на катализатор воз-
действует непосредственно толстостенный корпус аппарата.
В радиальных реакторах катализатор расположен в тонкостен-
ных корзинах и отделен от стенок несколькими слоями упругой
сетки, отчего боковые усилия на катализатор уменьшаются.
Резкие колебания расходов, давления (например, при сбро-
сах потока на свечу) приводят, особенно в аксиальных аппара-
тах, к мощным кратковременным нагрузкам на слой катализа-
тора и к частичному разрушению катализатора и росту гидрав-
лического сопротивления.
Аксиальные аппараты проще для загрузки и выгрузки ката-
лизаторов, в них выше линейная скорость газа.
В связи с созданием крупных агрегатов возникла проблема
транспортабельности аппаратов, с этой точки зрения преиму-
щества имеют аппараты с меньшим диаметром, наименее при-
емлемы шахтные конверторы.
Таким образом, радиальные аппараты имеют существенные
преимущества перед аксиальными, что делает их перспективны-
ми для дальнейшего внедрения в новых агрегатах производства
аммиака.
106
Очистка конвертированного газа
от диоксида углерода
Основные особенности процесса очистки газа
от диоксида углерода
В крупных агрегатах производства аммиака очистку газа
от диоксида углерода осуществляют хемосорбцией водным рас-
твором моноэтаноламина (МЭА) или водным раствором пота-
ша, активированным диэтаноламином (ДЭА). Процесс поташ-
ной очистки проводят в агрегатах, оборудование для которых
закуплено у иностранных фирм. В отечественных агрегатах для
очистки применяют моноэтаноламиновый раствор. При разра-
ботке процесса очистки ГИАП были учтены все новейшие до-
стижения в области технологии и аппаратурного оформления
абсорбционных процессов.
В следующей за очисткой технологической стадии происхо-
дит каталитическое гидрирование остаточного диоксида углеро-
да. При этом на гидрирование одного объема СО2 тратится че-
тыре объема водорода (целевой продукт), и образуется метан,
являющийся балластом, он выдувается на стадии синтеза с про-
дувочными газами. Поэтому желательно на стадии жидкостной
очистки добиться возможно низкой остаточной концентрации
СО2. При химической абсорбции молекулы газа, растворенного
в жидкости, вступают во взаимодействие с активным компонен-
том абсорбента. Растворимость газа при хемосорбции зависит
от физической растворимости газа и константы равновесия хи-
мической реакции при условиях очистки.
Поскольку при хемосорбции происходит полное или частич-
ное связывание абсорбируемого компонента в химическое со-
единение, градиент концентрации у поверхности раздела фаз
выше, чем при физической абсорбции. В результате этого воз-
растает скорость поглощения.
Метод хемосорбционной очистки обладает рядом особенно-
стей по сравнению с физической абсорбцией:
возможность абсорбции при низком парциальном давлении
извлекаемого газа вследствие более высокой поглотительной
способности раствора;
относительно малая циркуляция раствора и соответственно
небольшой расход энергии на перекачку сорбента;
регенерацию осуществляют, как правило, путем нагревания
(иногда в сочетании со сбросом давления), при этом расход
тепла на десорбцию относительно велик;
поскольку регенерацию проводят часто при кипении абсор-
бента, его пары играют роль десорбирующего агента;
возможность проведения весьма тонкой очистки;
увеличение коррозии и протекание побочных реакций, обус-
ловленных применением повышенных температур и щелочных
реагентов — сильных и слабых электролитов.
107
Степень очистки газа при хемосорбции зависит как от рав-
новесной абсорбционной емкости, так и от скорости абсорбци-
онных процессов, кинетика которых определяется условиями
тепло- и массообмена, температурой, парциальным давлением
компонентов газовой смеси, степенью контакта фаз, свойства-
ми абсорбата и абсорбента.
Хемосорбцию СО2 в промышленности проводят при темпе-
ратуре 35—100 °C и давлении 2,5—2,8 МПа, регенерацию — при
120—135 °C под небольшим избыточным давлением. При про-
ведении очистки абсорбция по условиям равновесия происхо-
дит тем полнее, чем ниже температура, однако скорость абсорб-
ции выше при большей температуре. На основании сопоставле-
ния термодинамических и кинетических факторов выбирают оп-
тимальную температуру абсорбции.
Реакции, протекающие при очистке, являются экзотермиче-
скими и обратимыми, при повышении температуры раствора об-
разующееся химическое соединение разлагается с выделением
исходных компонентов.
Абсорбционная очистка газа — циклический процесс. На
стадии абсорбции диоксид углерода поглощается растворите-
лем, очищенный газ направляют па дальнейшую переработку,
а насыщенный диоксидом углерода раствор регенерируют, что
требует дополнительного расхода энергии. В связи с этим на
стадии очистки большое значение имеет теплообмен, который
должен 'быть решен наиболее оптимальным способом.
Основными характеристиками процесса адсорбции счита-
ются: количество циркулирующего растворителя, линейная ско-
рость газа, соотношение жидкость : газ, расход энергии на ре-
генерацию и циркуляцию газа. Важнейшими показателями про-
цесса очистки газа от диоксида углерода в крупных агрегатах
производства аммиака являются также габариты и масса ос-
новных аппаратов и теплообменного оборудования, надежность
их работы и безусловно достигаемая степень очистки газа, по-
скольку используемые аппараты являются са^ ыми громоздки-
ми в аммиачном производстве.
Процесс абсорбционной очистки газов во многом опреде-
ляется свойствами растворителей. Ниже приводятся основные
характеристики, которые следует учитывать при выборе раство-
рителя.
Абсорбционная емкость (количество вещества, которое спо-
собен поглотить абсорбент, м3/м3 или моль/моль) и ее связь
с давлением и температурой. От абсорбционной емкости зави-
сят главные показатели процесса: циркуляция абсорбента, рас-
ход тепла на десорбцию газа, условия регенерации, габариты
аппаратов и др.
Селективность растворителя характеризуется отношением
растворимостей извлекаемого газа и наиболее близкого к нему
по растворимости компонента очищаемого газа. От селективно-
108
сти зависят потери менее растворимых газов, особенности тех-
нологической схемы и некоторые расходные коэффициенты.
Давление насыщенных паров растворителя при температуре
абсорбции должно быть незначительным, -чтобы избежать по-
терь абсорбента, а температура Кипения достаточно высока.
Широкое распространение получили растворители, температу-
ра кипения которых составляет 170—200 °C, а давление насы-
щенных паров при 30°C до 13,33 Па (0,1 мм рт. ст.).
Вязкость растворителя влияет на скорость массо- и теплопе-
редачи, а следовательно определяет габариты аппаратуры и
расход энергии на перекачивание растворителя. Наиболее пред-
почтительны растворители с низкой вязкостью.
Термохимическая устойчивость растворителя должна быть
высокой, чтобы к минимуму свести даже весьма медленные
побочные реакции, так как они влияют на срок службы абсор-
бента и могут оказывать коррозионное действие.
Коррозионная активность должна быть минимальной.
Очистка газа растворами моноэтаноламина
В процессе очистки газа 19—21%-ным раствором моно-
этаноламина протекают следующие реакции
2NH2CH2CH2OH + Н2О + СО2 (NH3CH2CH2OH)2CO3 (2.44)
(NH3CH2CH2OH)2CO3 + H2O4-CO2 ч—> 2NH3CH2CH2OHHCOg (2.45)
Температура процесса лежит в интервале 35—60 СС. Раствор
регенерируют снижением давления и подъемом температуры,
в результате выделяются вода и диоксид углерода.
Приведенные реакции между СО2 и МЭА следует рассмат-
ривать как схему, устанавливающую принципиальную возмож-
ность получения в качестве конечного продукта как карбоната,
так и бикарбоната моноэтаноламина. Достаточно подробно
механизм взаимодействия МЭА и СО2 рассмотрен в литературе
При поглощении диоксида углерода повышается степень
карбонизации раствора (а), которая выражается в молях СО2
на моль МЭА. Возможная при данных условиях степень кар-
бонизации раствора определяется термодинамическим равнове-
сием. Равновесная степень карбонизации увеличивается при
снижении концентрации МЭА в растворе, уменьшении темпера-
туры и повышении парциального давления СО2. Однако влия-
ние этих факторов невелико: даже при значительном их изме-
нении количество СО2 в растворе может уменьшаться или уве-
личиваться не более, чем в 1,2—1,5 раза. В промышленности
При извлечении СО2 из газа раствором МЭА с концентрацией
2,5—3,3 моль/м3 под давлением 2,45—2,94 МПа (25—
30 кгс/см2) может быть достигнута степень карбонизации а=
= 0,65—0,75.
109
Рис. 2.36. Многопоточная схема МЭА-очистки (процесс МЭА-ГИАП) с двумя потоками
регенерированного раствора н тремя потоками насыщенного раствора:
1 — абсорбер; 2 — холодильники; 3 — насосы; 4, 8 — теплообменники; 5 — конденсатор;
6 — регенератор; 7 — кипятильник; 9— испаритель.
Степень очистки газа от СО2 определяется его равновесной
концентрацией (равновесным парциальным давлением) над
раствором МЭА [36, 41]. Эта величина тем ниже, чем меньше
температура и степень карбонизации раствора. В промышлен-
ных агрегатах содержание СО2 в газе после очистки составляет
50—300 см3/м3.
Повышение концентрации МЭА раствора при одинаковой
степени карбонизации приводит к возрастанию равновесного
давления СО2 над раствором (или при заданной концентрации
СО2 в растворе соответственно уменьшается степень карбони-
зации), при этом повышается абсолютное количество погло-
щенного СО2. Таким образом, увеличивая концентрацию МЭА,
можно уменьшить количество циркулирующего раствора.
Схема процесса приведена на рис. 2.36. Очистка осущест-
вляется по многопоточной схеме.
Конвертированный газ (205 000 м3/час), содержащий 16—
18% СО2, подается в нижнюю часть абсорбера 1. Абсорбер
разделен на две секции — нижнюю и верхнюю. Газ проходит
сначала нижнюю секцию, в которой осуществляется грубая
очистка (до содержания 1—2% СО2), а затем верхнюю, после
чего остаточное содержание СО2 составляет не более
0,03% (об.). В верхней части аппарата очищенный конверти-
рованный газ проходит колпачковые тарелки, орошаемые флег-
мой, и сепарирующее устройство. Для уменьшения брызгоуно-
са в схеме предусмотрен брызгоотделитель-сепаратор (на схе-
ме не показан). Очищенный газ поступает на метанирование.
Верхняя секция абсорбера орошается глубокорегенерирован-
ным раствором, здесь он насыщается диоксидом углерода (от
10—20 до 65 г смешивается с груборегенерированным раство-
ром, идущим из регенератора.
ПО
Насыщенный раствор с содержанием СО2 80—100 г/л и тем-
пературой не более 60 °C в количестве 1100—1150 м3/ч выходит
из нижней секции абсорбера и делится на три потока.
Первый поток—холодный байпас (около 10%—до
100 м3/ч) направляется непосредственно на верх регенерато-
ра 6. Второй поток (475—540 м3/ч, ~45%) проходит трубное
пространство теплообменника 4, где нагревается до 95—100 °C
за счет тепла груборегенерированного раствора, дросселируется
и поступает в регенератор. Третий поток (475—540 м3/ч,
~45%) проходит трубное пространство теплообменника 8 на-
гревается до ПО—115 °C за счет тепла глубокорегенерирован-
ного раствора, дросселируется и поступает в трубное простран-
ство испарителя 9, где за счет тепла груборегенерированного
раствора происходят нагрев и частичная десорбция СО2 и па-
ров воды. После испарителей насыщенный раствор поступает
в регенератор.
Регенератор разделен на две секции. В верхней секции про-
исходит регенерация (десорбция) насыщенного раствора до со-
держания СО2 не более 50 г/л за счет тепла парогазовой смеси,
поступающей из нижней секции регенератора. Затем раствор
делится на два потока. Первый поток — груборегенерирован-
ный раствор (500—600 м3/ч) с температурой 115—120 °C по-
ступает в межтрубное пространство испарителя 9, где охлажда-
ется до ПО—115 °C насыщенным раствором, и, пройдя тепло-
обменники и воздушный холодильник 2, поступает на орошение
нижней секции абсорбера. Другой поток груборегенерирован-
ного раствора поступает в нижнюю часть регенератора для бо-
лее тонкой регенерации. Окончательная десорбция происходит
при кипячении его в выносных кипятильниках 7 до остаточного
содержания СО2 в растворе 10—12 г/л. Глубокорегенерирован-
ный раствор из куба регенератора с температурой 125—130 °C
поступает в теплообменники 8, охлаждается в воздушном хо-
лодильнике 2 и затем с температурой около 70 °C поступает на
орошение верхней части абсорбера.
Если тепла для регенерации раствора оказывается недоста-
точно, его количество может быть увеличено за счет использо-
вания дополнительных газовых и паровых кипятильников.
Газы десорбции — диоксид углерода с небольшим содержа-
нием СО, СН4 и N2, подаются в цех переработки или выбрасы-
ваются в атмосферу. Содержание горючих в газах десорбции
не должно превышать 2% (об.). Парогазовая смесь охлаждает-
ся в воздушном холодильнике, а затем поступает в сборник
флегмы (на схеме не показан), в котором происходит отделе-
ние газа от конденсата — флегмы, возвращаемой в цикл для
поддержания баланса воды в системе.
С целью очистки МЭА-раствора, постоянно находящегося
в цикле, от продуктов разложения, осмоления и окисления imo-
ноэтаноламина, вызывающих коррозию и эрозию аппаратуры
и способствующих увеличению его вспениваемости, предусмот-
Ш
рена разгонка части циркулирующего раствора в кипятильни-
ке 7 под давлением на 0,01—0,02 МПа выше, чем в регенера-
торе.
Разгонку осуществляют в две стадии (полунепрерывный про-
цесс). На разгонку в межтрубное пространство кипятильника 7
из глухой тарелки нижней секции регенератора 6 поступает
5—10 м3 МЭА-раствора в час, туда же предварительно зака-
чивают 1—1,5 м3 42'%-ного раствора щелочи для нейтрализа-
ции кислых продуктов разложения моноэтаноламина. Раствор
щелочи готовят в баке-растворителе каустика и подают в смо-
ловыделитель насосом. В трубки смоловыделителя поступает
греющий пар. Раствор (кипит при температуре от 120 до 145 °C.
Пары МЭА и 'Воды из смоловыделителя поступают в куб реге-
нератора. При увеличении температуры раствора в смоловы-
делителе до 143—145 °C и содержания смолистых веществ в
нижней части аппарата до 280—400 г/л прекращают подачу
раствора в аппарат разгонки и переходят ко второй стадии —
отгонке МЭА с водяным паром. Этот процесс проводят до со-
держания МЭА в парах не более 0,5%, в кубовом остатке —
15—20% (масс.). В ходе упарки контролируют уровень раство-
ра в аппарате и наличие смолистых веществ в парогазовой
смеси. Оптимальный расход пара, подаваемого в трубное про-
странство, составляет обычно 3 т/ч. По окончании выпаривания
кубовой остаток сливают, аппарат промывают и снова вклю-
чают в работу. Продолжительность первой стадии разгонки за-
висит от скорости накопления смол в смоловыделителе и со-
ставляет 10—20 сут. Продолжительность второй стадии состав-
ляет бычно одни сутки.
Очистка газа раствором поташа
Очистка газа поташным раствором основана на взаимо-
действии диоксида углерода с карбонатом калия по суммарно-
му уравнению
К2СО3 + СО2 + Н2О 2КНСО3 (2.46)
Скорость реакции практически полностью лимитируется ско-
ростью медленно протекающей реакции в жидкой фазе
СО2 + ОН" <=» НСО3- (2.47)
Хотя метод очистки основан на применении относительно
дешевого абсорбента, он имеет ряд недостатков: малая раство-
римость карбоната в воде (особенно бикарбоната) при обычной
температуре, низкая скорость абсорбции, что приводит к необ-
ходимости значительной циркуляции раствора и обусловливает
увеличение габаритов аппаратов. Кроме того, равновесное пар-
циальное давление СО2 над растворами поташа относительно
велико, и не удается достичь тонкой очистки газа (0,08—0,15%
112
Рис. 2.37. Технологическая
схема процесса очистки га-
за горячим раствором К2СО3,
активированным ДЭА:
1 — абсорберы; 2 — сепарато-
ры; 3 — гидравлическая тур-
бина; 4 — регенераторы; 5,
10 — воздушные холодильни-
ки; 6 — газовые кипятильни-
ки; 7 — паровые кипятильни-
ки; 8 — теплообменники; 9,
11 — фильтры.
СО2 в газе после очистки). Преимуществом метода .является
сравнительно низкий расход тепла на регенерацию.
Большое распространение получили методы очистки газа го-
рячими растворами поташа, активированными различными до-
бавками. При увеличении температуры возрастает раствори-
мость карбонатов в воде и могут быть получены более концент-
рированные растворы. При 'повышении температуры значитель-
но увеличивается скорость гидратации диоксида углерода (ли-
митирующей стадии процесса), а следовательно, скорость аб-
сорбции в целом. Это позволило осуществить процесс очистки
таким образом, что температуры абсорбции и регенерации близ-
ки, но абсорбция протекает при повышенном, а регенерация —
при атмосферном давлении.
Одним из наиболее распространенных в промышленности
активаторов поташной очистки является диэтаноламин (ДЭА).
Применение активатора, который сам по себе является хоро-
шим абсорбентом по отношению к СО2, позволяет снизить пар-
циальное давление диоксида углерода над раствором и, кроме
того, приводит к увеличению скорости абсорбции. Ускоряющее
действие ДЭА невелико, но оно возрастает по мере повышения
степени насыщения раствора, т. е. в условиях нижней части аб-
сорбера, когда абсолютное значение коэффициента массопере-
дачи мало. В условиях верхней части абсорбера, по всей ве-
роятности, главную роль играет снижение парциального давле-
ния СОг над раствором, т. е. обеспечивается возможность более
тонкой очистки. Имеются [36] достаточно полные данные для
расчета параметров поташной очистки, активированной ДЭА.
Возможно применение в растворах поташа в качестве акти-
ватора МЭА вместо ДЭА. Недостатками МЭА при этом явля-
ются более высокое давление насыщенных паров и связанная
8—831
113
с этим необходимость промывки газа после очистки водой, од-
нако МЭА более доступен и дешев.
В крупных агрегатах производства аммиака применяют две
разновидности процесса поташной очистки: «Карсол» и «Бен-
филд». В процессе «Карсол» для абсорбции применяют 25—
28%-ный раствор поташа, содержащий 1,8% ДЭА. В процессе
«Бенфилд» — более концентрированные растворы: 29—30%
К2СО3 и 2,9%) ДЭА.
Процессы абсорбции и регенерации ведут при температуре
65—115 °C.
Технологическая схема процесса поташной очистки пред-
ставлена на рис. 2.37. Абсорбцию осуществляют по двухпоточ-
ной схеме. Большую часть (80%) труборегенерированного рас-
твора подают в среднюю часть абсорбера при 100—103 °C,
остальная при 65—70 °C поступает в верхнюю часть абсорбера.
Это позволяет достичь в газе 0,1—0,15% СО2 (иногда — 0,05—
0,08%).
Насыщенный раствор при 106—ПО °C сначала поступает в
турбину, а затем в регенератор. Регенерацию проводят по схе-
ме с разделением потоков регенерированного раствора.
Содержание примесей в десорбированном диоксиде углерода
составляет 2,0% (об.).
Аппаратурное оформление процессов очистки
Основными аппаратами на стадии очистки являются аб-
сорберы и регенераторы, в которых осуществляются массооб-
менные процессы поглощения и выделения диоксида углерода.
К массообменной аппаратуре очистки предъявляют следую-
щие основные требования.
Большая пропускная способность по газу и жидкости, что
позволяет создать малогабаритные аппараты и делает возмож-
ным их транспортирование по железной дороге с завода-изгото-
вителя.
Высокая степень насыщения хемосорбента в абсорбере, что
обеспечивает высокие технико-экономические показатели про-
цесса.
Глубокая степень извлечения СО2 из газа: остаточное содер-
жание СО2 не должно превышать 0,03—0,15% (об.).
Минимальный расход тепла в регенераторе.
Незначительное гидравлическое сопротивление.
Стабильность в работе и легкость регулирования работы
аппарата.
Основные принципы расчета процессов абсорбции и регене-
рации описаны в [36, 41, 63]. Для большей части из них раз-
работаны методики расчетов с использованием ЭВМ.
Для очистки технологического газа от СО2 в крупнотоннаж-
ных агрегатах производства аммиака используют как насадоч-
114
Рнс. 2.38. Абсорбер.
Рис. 2.39. Регенератор.
ные (в процессах очистки газа поташным раствором), так и та-
рельчатые (в процессах очистки газа МЭА-раствором) абсорбе-
ры и регенераторы.
Массообменные аппараты с нерегулярной насадкой обеспе-
чивают высокую надежность эксплуатации в широком диапазо-
не нагрузок по газу и жидкости, что важно для агрегатов боль-
шой единичной мощности. В качестве насадки в абсорберах и
регенераторах применяют металлические кольца Палля или ке-
рамические седла Инталокс.
8*
115
В агрегатах моноэтанолампновой очистки используют абсор-
беры с ситчатыми тарелками с высоким барботажным слоем.
Абсорбер представляет собой двухсекционный аппарат, верх-
няя секция имеет диаметр 3,8, нижняя — 4 м. Уменьшение диа-
метра абсорбера за счет выполненных в ГИАП работ по интен-
сификации аппаратуры МЭА-очистки облегчило его транспор-
тирование. Аппараты изготовляют из стали 09Г2С с термооб-
работкой сварных швов.
В каждом крупном агрегате установлен один абсорбер, об-
щий вид которого показ на рис. 2.38. Технологические и не-
которые конструктивные данные, характеризующие абсорберы
двух типов, приведены ниже:
Показатель
.Диаметр аппарата, м.........................
Высота аппарата, м...........................
Свободное сечение тарелок, %.................
Число ситчатых тарелок ......................
в нижией секции...........................
в верхней секции .........................
Скорость газа на входе в аппарат, м/с ....
Плотность орошения (нижняя часть) м/ч
Давление в абсорбере, МПа....................
Температура раствора, °C
вход .....................................
выход ....................................
Концентрация СО2 в газе, % (об.)
вход .................................. >
выход, менее.................................
Концентрация МЭА, кмоль/м3......................
Степень карбонизации МЭА
вход ........................................
выход .......................................
Сопротивление аппарата, МПа.....................
Скорость абсорбции СО2 в рабочем объеме аппа-
рата, м3/ч • м3.................................
Средняя движущая сила, МПа......................
Объемный коэффициент массопередачи, м3
СО2/м3-ч-МПа....................................
4,2/3,8
34
5,7—8,7
15
9
6
0,175
77
2,5
36
52
17,4
0,03
3,28
4,0/3,8
34
5,7—8,7
15
9
6
0,193
85
2,5
36
52
17,4
0,03
3,28
0,08 и 0,46 0,08 и 0,46
0,73 0,73
0,082 0,086
104
0,0614 0,0614
163 180
В верхней части абсорбера расположены две колпачковые
тарелки и сетчатый сепаратор для улавливания брызг и паров
моноэтаноламина из очищенного конвертированного газа.
Результаты промышленной эксплуатации абсорберов свиде-
тельствуют о высокой надежности их конструкции, процесс
очистки протекает в них устойчиво, остаточная концентрация
диоксида углерода в тазе не превышает, как правило, 40—
50 см3/м3.
Регенерацию МЭА раствора осуществляют также в аппара-
тах с ситчатыми тарелками конструкции ВНИПИМ. Первые ре-
генераторы имели диаметр 4,5 м, затем в результате работ, вы-
полненных в ГИАП, диаметр был уменьшен до 4,2 м. В каж-
дом агрегате устанавливают один регенератор. Общий вид ре-
116
генератора показан на рис. 2.39, а его характеристика приведе-
на ниже:
Диаметр внутренний, м...................................4,2
Общая высота (без опоры), м.............................41,8
Число двухсливных ситчатых тарелок, шт
в верхней секции ... . .............15
в ипжней секции....................................11
Расчетная производительность по раствору, м3/ч
в верхней секции ................................ 1200
'в нижней секции................600
Регенератор с приведенными выше характеристиками рабо-
тает устойчиво, обеспечивая все проектные показатели техно-
логического режима МЭЛ-очистки.
ГИАП совместно с ВНИПИМ разработал новый способ ре-
генерации, принятый в агрегатах типа АМ-76, который заклю-
чается в совмещении процессов тепло- и массообмена в одном
аппарате. Все подлежащее рекуперации тепло регенерирован-
ного раствора передается насыщенному раствору внутри реге-
нератора в специальном встроенном теплообменнике. Насыщен-
ный раствор поступает на верх регенератора непосредственно
из абсорбера (без нагрева в выносном теплообменнике) со
средней температурой около 52 °C и со степенью карбонизации
а=0,65, что позволяет резко уменьшить расход тепла, посту-
пающего с парогазовой смесью, так как температура покидаю-
щей регенератор парогазовой смеси в этом случае намного ни-
же, чем для схем с выносным теплообменником. Для осущест-
вления этого процесса разработан специальный аппарат — ре-
генер атор-рекупер атор.
Технологические и некоторые конструктивные характеристи-
ки абсорбера поташной очистки приведены ниже:
Диаметр аппарата, м..................................... . . 4,0/2,75
Высота аппарата, м . ...... .... 58,5 ’
Характеристика иасадки, м
ииз — 3 слоя металлических колец Палля, м...................0,05
верх —2 слоя металлических колец Палля, м . 0,04
Скорость газа на входе в аппарат, м/с........................0,24
Давление в абсорбере, МПа ................................2,70
Температура раствора, °C
вход, I поток.................................................60
вход, II поток............................................ПО
выход ..............................'.....................112
Концентрация СО2 в газе, %
вход . . . '........................................17,4
выход ....................................................0,14-0,05
Сопротивление аппарата, МПа.................................0,05
Общий вид абсорбера поташной очистки представлен на
рис. 2.40.
117
Рис. 2.40. Абсорбер поташной очистки:
1— кольца Палля (нерж, ст.); 2 — кольца
Палля (углерод, ст.); 3—кольца Палля
(2-нерж. ст.).
Рис. 2.41. Регенератор поташной очистки:
/ — кольца Палля (дням. 51 мм, нерж, ст.);
2— кольца Палля (дням. 13 мм, нерж. ст.).
Газ
Регенерация поташного раствора осуществляется в аппара-
те, имеющем следующие характеристики:
Диаметр (внутренний), м
верхней секции
нижией секции
Общая высота, м .
Нижняя секция
Верхняя секция
5,2
4,4
70
два слоя насадки из металлических
колец Палля (Р/г")
три слоя насадки из металлических
колец Палля (2")
118
Рис. 2.42. Аппарат для разгонки МЭА-раствора под давлением регенерации (смоловыде-
литель).
Общий вид регенератора поташной очистки приведен на
рис. 2.41.
Помимо основных аппаратов — абсорберов и регенераторов,
на стадии очистки применяют теплообменные аппараты: газо-
вые и паровые кипятильники, воздушные холодильники, кон-
денсатор-холодильник. Для подачи в абсорбер регенерирован-
ного раствора используют насосы с приводом от паровых тур-
бин или с электроприводом.
Разгонку МЭА-раствора осуществляют в специальном аппа-
рате — смоловыделителе.
Смоловыделитель— горизонтальный аппарат с ^-образны-
ми трубками диаметром 25X2 мм (рис. 2.42). Диаметр кожу-
ха — 2200 мм, поверхность теплообмена — 360 м2.
Смоловыделитель обогревается насыщенным водяным паром
Р= (7-р8) • 105 Па, проходящим по трубкам, раствор кипит в
межтрубном пространстве. Корпус аппарата изготавливают из
качественной углеродистой стали, трубки — из нержавеющей
стали.
Для отделения конденсата (флегмы) от диоксида углерода
устанавливают аппарат — сборник флегмы. Для уменьшения
потерь абсорбента с СО2 внутри аппарата имеются сепарирую-
щее устройство и колпачковые тарелки, орошаемые флегмой.
Аппарат выполнен из углеродистой стали с антикоррозионным
покрытием.
Коррозия аппаратуры и меры борьбы с ней
В условиях очистки газа от диоксида углерода раствор
моноэтаноламина обладает некоторой коррозионной активно-
стью. Главной причиной коррозии является взаимодействие с
119
Рис. 2.43. Завдснмость скорости коррозии стали раз-
ных марок в 20%-ном растворе МЭА от температу-
ры (концентрации СО2 — 60 г/л):
1 — ст. 3; 2 — ст. Х18Н10Т.
железом угольной кислоты, моноэта-
ноламина и особенно продуктов раз-
ложения МЭА, образующихся в ре-
зультате побочных реакций МЭА с
компонентами газовой смеси и рас-
твора.
Реакция между железом и уголь-
ной кислотой протекает при высоких
температурах, при этом образуется
растворимый бикарбонат железа. Во
время десорбции СО2 в регенераторе бикарбонат железа прев-
ращается в нерастворимый карбонат, который осаждается на
стенках аппаратов и трубопроводов.
В процессе очистки происходит накопление продуктов раз-
ложения МЭА в растворе, что ведет к увеличению коррозии
оборудования и трубопроводов, снижению абсорбционной спо-
собности раствора, ухудшению очистки, увеличению расхода
моноэтаноламина.
Главный продукт разложения МЭА в системах очистки га-
за— N-2-оксиэтилэтилендиамин (ОЭЭД), являющийся прекрас-
ным комплексообразователем для железа и инициатором авто-
каталитической реакции, усугубляющей процесс коррозии. По-
вышение концентрации железа в циркулирующем растворе сти-
мулирует образование ОЭЭД, в результате чего агрессивность
среды быстро возрастает.
В очищаемом газе всегда имеется сероводород. Сероводород
обратимо реагирует с МЭА, однако в присутствии кислорода
может образовываться нерегенерируемый тиосульфат
(RN2H2)2S2O3. При охлаждении МЭА-раствора продукты раз-
ложения МЭА взаимодействуют с сероводородом, при этом об-
разуется и выпадает в осадок сульфит железа, исходный ком-
понент регенерируется и вновь может взаимодействовать с же-
лезом, а продукты коррозии накапливаются в растворе.
Скорость коррозии возрастает при увеличении температуры,
а также концентраций МЭА и СО2 в растворе, что обусловле-
но, в первую очередь, увеличением скорости побочных реакций.
Так, повышение температуры греющего пара или газа от 150 °C
до 180—190 °C способствует резкому увеличению коррозии угле-
родистой стали (от 0,7 до 1,8 мм/год) рис. 2.43. Нержавеющая
сталь Х18Н10Т практически не разрушается в этих условиях.
Скорость коррозии возрастает почти пропорционально концент-
рации диоксида углерода в растворе (при малых а), достигая
максимума (0,3—0,4 г/м2-ч, или 0,3—0,4 мм/год) при некото-
ром значении а (в моль СО2/моль МЭА), выше которого ско-
рость коррозии уже не зависит от а. Чем ниже температура,
120
тем сильнее влияние на коррозию степени карбонизации рас-
твора (рис. 2.44). Скорость коррозии углеродистой стали в мо-
мент десорбции СОг из высококарбонизован ых растворов мо-
жет достигать 0,34 г/м1 2-ч.
Повышение концентрации МЭА приводит к возрастанию
скорости коррозии (рис. 2.45) и увеличению опасности (для
30%-ного раствора МЭА) коррозионного растрескивания аппа-
ратуры.
В большой степени коррозии подвержена углеродистая
сталь, скорость коррозии стали Ст. 3 в 10—100 раз выше ско-
рости коррозии нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т. Помимо
коррозии при высоких скоростях газа (более 1 м/с) в трубках
теплообменников возможна эрозия, которая приводит к их
быстрому износу.
Опыт эксплуатации мопоэтаполамшю'вых очисток показал,
что наиболее сильной коррозии обычно подвержены кипятиль-
ники, теплообменники, холодильники, конденсаторы флегмы,
регенераторы, трубопроводы и арматура на линии насыщенного
раствора, насосы.
Для борьбы с коррозией оборудования и трубопроводов в
установках моноэтанол аминовых очисток принят ряд мер, ос-
новные из которых следующие.
Во всех агрегатах имеются установки разгонки рабочего
раствора МЭА под давлением регенерации в смоловыделителе.
Кипятильники, смоловыделитель, теплообменники, конденса-
торы флегмы, наиболее подверженные коррозии, выполняют, в
основном, из нержавеющей стали с пониженным содержанием
никеля и биметалла. Из нержавеющей стали также выполнена
часть трубопроводов.
Для других аппаратов МЭА-очистки применяют качествен-
ную углеродистую сталь с отжигом сварных швов для снятия
температурных напряжений. Отжиг сварных швов производит-
ся для всех трубопроводов, подверженных коррозии.
Проточную часть основных насосов МЭА раствора изготав-
ливают из нержавеющей стали.
Концентрация СОг, г/л
Концентрации МЭА°К
Рис. 2.44. Зависимость скорости коррозии углеродистой стали от концентрации СО2 в
20%-иом растворе МЭА при различных температурах:
1 — 40; 2 — 60; 3—100; 4 — 130 °C.
Рис. 2.45. Зависимость скорости коррозии углеродистой стали (ст. 3) от концентрации
МЭА в растворе при температурах:
1 — 100; 2 — 130 °C.
121
Рис. 2.46. Зависимость скорости коррозии ст. 3 от вре-
мени в карбонизированном 20%-ном растворе МЭА (/>
и в том же растворе, содержащем 0,05% метаванадата
натрия (2).
Для исключения контакта раствора
МЭА с кислородом воздуха предусмат-
ривается подвод азота из системы буфер-
ного азота во все емкости раствора.
С целью предотвращения образова-
ния в растворе МЭА продуктов, вызыва-
ющих коррозию, путем увлажнения ог-
раничивают температуру теплоносителя
(пар и конвертированная парогазовая
смесь) в кипятильниках.
с коррозией необходимо строго выдерживать
режим на всех стадиях очистки и обеспечить
Для борьбы
температурный
непрерывную и качественную эксплуатацию установки разгон-
ки моноэтаноламина. Разгонка раствора МЭА является глав-
ным средством снижения химических потерь амина и снижения
коррозии.
Разгонку МЭА раствора ведут в присутствии щелочи
(1 моль на 1 моль связанного амина) под давлением регенера-
ции. При взаимодействии со щелочью часть побочных продук-
тов разлагается с образованием амина. Роль щелочи состоит не
только в регенерации связанного амина, но и в связывании ле-
тучих продуктов побочных реакций, уменьшении кислотности
раствора, и, следовательно, в снижении уноса примеси и в
уменьшении коррозии разгонного куба.
Производительность разгонного куба рассчитана на обеспе-
чение допустимой концентрации продуктов побочных реакций
в МЭА-растворе, которая составляет 2 г/л или 0,2%. При про-
ведении процесса разгонки необходимо учитывать, что повы-
шение температуры выше допустимого предела приведет к ус-
корению процесса деградации моноэтаноламина и вызовет уве-
личение коррозии в аппаратуре разгонки.
Эффективным способом защиты оборудования от коррозии
является добавка в рабочий МЭА-раствор 0,1% (масс.) пяти-
оксида ванадия, который образует защитную пленку па поверх-
ности оборудования. При использовании этого ингибитора ско-
рость коррозии стали в 15—20%-ных растворах снижается в
10—20 раз (рис. 2.46). Одновременно в процессе очистки газа
от СО2 происходит восстановление ванадия в соединения низ-
шей валентности, обладающие слабой ингибирующей способно-
стью. В связи с этим необходимо периодически (через 1,5—
2 мес.) выводить соединения ванадия из системы очистки газа
в смоловыделитель с последующей регенерацией их и возвра-
щением в систему, и систематически (2 раза в неделю) конт-
ролировать содержание ванадия в рабочем растворе.
Показателем, характеризующим коррозионную активность
раствора, является потенциал углеродистой стали в рабочем
122
растворе, который необходимо замерять 1—2 раза в неделю,
значение потенциала не должно быть ниже 0,3 В (нормальный
водородный потенциал).
Наибольший эффект от применения ингибитора достигается
при условии предварительной (перед введением ингибитора)
тщательной промывки системы очистки. Наиболее целесообраз-
но вводить пятиоксид ванадия в установку МЭА-очистки до по-
дачи газа в абсорбер. Рекомедуется подавать газ на МЭА-
очистку только после включения установки низкотемператур-
ной конверсии оксида углерода. В противном случае подача
конвертированного газа с повышенным содержанием сернистых
соединений может привести к потерям ингибитора за счет об-
разования соединений ванадия с серой, по обладающих инги-
бирующей способностью и загрязняющих рабочий раствор мо-
ноэтаноламина.
За рубежом в системах МЭА-очистки широко используют
ингибитор коррозии «Амингард» фирмы «Юнион Карбайд»
(США).
Растворы поташа также являются коррозионноактивными
по отношению к углеродистым сталям. Скорость коррозии до-
стигает 1 г/(м2-ч). Уже при 80 °C скорость коррозии и в жид-
кой, и в парогазовой фазах выше 0,3 мм/год. Коррозионная ак-
тивность раствора поташа увеличивается при наличии ионов
хлора, которая должна быть не более 15 мг/л, поэтому для
приготовления раствора может использоваться К2СО3 только
марки «ХЧ» и «ЧДА». ГИАП разработал и внедрил в промыш-
ленность способ приготовления раствора поташа из бесхлорно-
го гидроксида калия непосредственно при заливе раствора в
абсорбер и карбонизации его диоксидом углерода, содержа-
щимся в газе, подаваемом в абсорбер. При этом снижается
стоимость раствора.
Нержавеющие стали 0X13, Х14Г14НЗТ, ОХ22Н5Т, Х18Н10Т
обладают высокой коррозионной стойкостью по отношению го-
рячего поташного раствора, поэтому из них изготавливают ки-
пятильники, верхнюю часть регенераторов, конденсаторы флег-
мы и часть трубопроводов, наиболее подверженные коррозии,
насосы для циркуляции раствора. Абсорберы, емкостное обо-
рудование делают из качественной углеродистой стали, а свар-
ные швы для снятия температурных напряжений отжигают.
При очистке газа от диоксида углерода растворами горячего
поташа применяют различные ингибиторы коррозии. Наиболее
широкое распространение в качестве ингибитора коррозии по-
лучил пятиоксид ванадия, добавка 0,4% (масс.) которого в цир-
кулирующий раствор позволяет снизить коррозию раствором
поташа, активированным ДЭА, в 25 раз. Процесс подачи пяти-
оксида ванадия в раствор поташа, контроль за содержанием
его в циркулирующем растворе такие же, как при МЭА-очистке.
В процессе очистки ванадий (V) постепенно восстанавлива-
ется, поэтому для окисления ванадия в регенератор периодиче-
123
ски подают воздух. В противном случае резко усиливается кор-
розия, выпадает осадок, содержащий железо и ванадий, вызы-
вающий вспенивание.
Меры предотвращения вспениваемости растворов
Водные растворы моноэтаноламина обладают поверхност-
но-активными свойствами, они способны образовывать устойчи-
вые пены даже в чистом виде. Вероятность вспенивания воз-
растает при попадании в раствор взвешенных твердых частиц
(окалина, катализаторная пыль и др.), растворимых солей,
продуктов разложения амина и продуктов коррозии аппарату-
ры. Для предупреждения вспенивания используют добавки, сни-
жающие устойчивость пен, например силиконовые соединения,
в частности, эмульсию 21-2а (или КЭ-10-12). Она представляет
собой композицию на основе полиметилсиликоновой и поли-
этилсиликоновой жидкостей и добавляется в количестве
0,0005—0,005% (масс.).
Для предотвращения вспенивания необходимы постоянная
работа смоловыделителя, обеспечивающая регулярный выход
из системы продуктов разложения моноэтаноламина, а также
фильтрация раствора.
Раствор поташа с добавками ДЭА обладает хорошими сма-
чивающими свойствами, и поэтому в нем задерживаются нахо-
дящиеся в газе твердые частицы или распыленные жидкости.
Чистый раствор образует пену только при наличии в нем твер-
дых частиц, которые могут попасть в раствор на предшествую-
щих стадиях и из трубопроводов (окалина, катализаторная
пыль, пыль огнеупорной футеровки, твердые частицы из техно-
логического пара, продукты коррозии и т. п.), а также в ре-
зультате истирания насадки, используемой в процессе поташ-
ной очистки.
В связи с этим в схеме поташной очистки предусматривает-
ся непрерывная фильтрация раствора (~2% от общего коли-
чества) на активированном угле. При поташной очистке в ка-
честве антивспенивателя используют различные силиконовые
масла, а также спирты. Однако последние не рекомендуются
в случае применения в аппаратах пластмассовых насадочных
материалов, так как в присутствии спиртов происходит размяг-
чение и усадка насадки. В ГИАП разработан высокоэффектив-
ный антивспениватель «Лапрол». Рекомендации по выбору ти-
па и количества вводимого антивспенивателя обычно возмож-
ны после специальной лабораторной проверки применительно
к конкретным условиям.
Промышленная эксплуатация установок
очистки газа от диоксида углерода
Опыт промышленной эксплуатации крупных агрегатов
производства аммиака показывает, что процесс очистки газа
от диоксида углерода протекает вполне устойчиво, обеспечивая
124
требуемую степень очистки и в соответствии с принятыми в
проектах нормами технологического режима. Однако в отдель-
ных случаях возможны нарушения, приводящие к ухудшению
очистки и снижению производительности агрегата. Основными
неполадками в ходе процесса очистки можно считать следую-
щие: вспенивание раствора, снижение концентрации МЭА, по-
таша или ДЭА, нарушение температурного режима, унос рас-
твора, ухудшение регенерации, изменение уровня раствора в
аппаратах, увеличение количества горючих в диоксиде угле-
рода. В регламентах агрегатов предусмотрены мероприятия,
позволяющие ликвидировать указанные нарушения.
Одно из обязательных условий устойчивой работы установ-
ки очистки-—отсутствие -механических примесей, солей жестко-
сти, минимальное содержание побочных продуктов в рабочем
растворе. На внутренней поверхности аппаратов и трубопрово-
дов обычно имеются механические загрязнения, внесенные при
монтаже оборудования, и различной толщины и степени порис-
тости слой окалины, образовавшейся в результате окисления в
процессе изготовления. Кроме того, на поверхности окалины
имеются трещины. Отскакивая от поверхности металла во вре-
мя работы, частицы окалины загрязняют рабочую среду, а ос-
тавшийся неравномерный слой окислов способствует развитию
местных коррозионных процессов.
К моменту окончания монтажа внутренняя поверхность обо-
рудования оказывается также покрытой ржавчиной. Около
сварных стыков на внутренней поверхности металла, как пра-
вило, остается сварочный грат. Для удаления из оборудования
загрязнений необходимо провести его предпусковую очистку,
которая должна производиться на -полностью смонтированной
и подготовленной к пуску установке. Между методами подго-
товки оборудования в установках МЭА- и поташной очисток
принципиальной разницы нет.
Скорость движения растворов по замкнутому циклу должна
быть близкой к рабочим условиям (по проекту). При малой
скорости циркуляции растворов должно быть увеличено время
очистки аппаратов. Подогрев растворов ведется за счет пара,
подаваемого в паровые кипятильники.
Предпусковая обработка оборудования системы МЭА-очист-
ки включает следующие операции.
Водная промывка. Промывку аппаратов и трубопроводов-
растворного цикла осуществляют водой. Промывке подвергают-
ся все аппараты и трубопроводы, которые соприкасаются при
работе с абсорбентом. Во время промывки разбирают фланце-
вые соединения, при необходимости снимают регулирующие
клапаны и устанавливают заглушки.
Для проведения промывки систему заливают водой до нор-
мальных уровней в аппаратах. Давление в абсорбере поддер-
живается азотом (4-ьб) -105 Па, промывку системы водой по-
вторяют 2—3 раза. Продолжительность каждой промывки —
125
1 сут. После окончания каждой промывки всю воду из системы
сливают в канализацию.
После этого аналогичным образом 2 раза промывают систе-
му водяным паровым конденсатом. Продолжительность каж-
дой промывки 12—14 ч. После каждой промывки конденсат
сливают в канализацию и контролируют его мутность (допу-
стимое значение составляет 3 см3/м3).
Химическая очистка. Химическую промывку проводят для
обезжиривания системы, растворения оксидной пленки на стен-
ках аппаратов и трубопроводов, а также пассивации очищен-
ной поверхности введением ингибитора — нитрита натрия.
При химической очистке в целях экономии реактивов аппа-
раты заполняются минимально возможным количеством рас-
твора, обеспечивающим нормальную циркуляцию и работу на-
сосов системы.
Промывку химически очищенной водой, содержащей
100 мг/л гидразин-гидрата, проводят после водной промывки.
Гидразин-гидрат добавляют для предотвращения коррозии обо-
рудования. Температура воды — до 50 °C. Продолжительность
рчистки в условиях циркуляции — 2—3 ч.
Щелочная очистка для обезжиривания системы осуществля-
ется водным раствором, содержащим тринатрийфосфат
Na3PO4-12H2O—1,5%; карбонат натрия Na2CO3-10Н2О— 4%;
карбонат калия К2СО3— 3%. Растворы готовят на химически
очищенной воде. Температура раствора— 80—90 °C. Продол-
жительность щелочной очистки— 10 ч.
После щелочной очистки необходима тщательная промывка
системы обессоленной водой с гидразин-гидратом (100 мг/л)
при температуре 40—50сС в условиях циркуляции.
Кислотная очистка предназначена для удаления окалины и
ржавчины со стенок аппаратов и трубопроводов. В качестве
кислотной составляющей применяется смесь Трилона Б и уксус-
ной кислоты или лимонная кислота.
Кислотную очистку раствором Трилона Б и уксусной кисло-
ты проводят при 90 °C (температура в абсорбере при этом не
должна быть выше 70 °C) в условиях циркуляции раствора.
Для очистки применяют водный раствор, содержащий
2% (масс.) уксусной кислоты, 1% (масс.) Трилона Б и 0,02%
(масс.) каптакса. Отдельно готовят раствор каптакса в горя-
чей воде (95—100°C). Раствор Трилона Б готовят на воде, со-
держащей менее 1 мг/л солей, для уменьшения расхода Трило-
на Б на взаимодействие с солями, присутствующими в воде.
В ходе промывки следует поддерживать pH = 3,5—4,0 добав-
кой уксусной кислоты.
Очистка считается оконченной при прекращении увеличения
содержания железа в растворе, при наличии в нем свободного
Трилона Б. После этого раствор сливают, и оборудование дваж-
ды промывают деминерализованной водой, содержащей
100 мг/л гидразин-гидрата.
126
По другому способу для промывки системы используют
3%-ный раствор лимонной кислоты, содержащий 0,11 г/л инги-
битора— каптакса. Последующая нейтрализация осуществля-
ется раствором аммиака до pH-10. Пассивацию в этом случае
проводят 0,5% -ным раствором нитрита натрия.
В установках МЭА-очистки наиболее целесообразно для
пассивации использовать 0,5%-ный растворМЭА при20—80°C,
операция занимает 75—100 ч.
Сравнение различных методов очистки
Критерием сравнения процессов очистки газа, как и во
всех других случаях, является величина приведенных затрат.
Однако в каждом случае необходимо учитывать факторы, зави-
сящие от конкретных условий и влияющие на экономику про-
цесса. Эти факторы можно разбить на три группы:
внешние технологические параметры процесса — состав, дав-
ление и температура очищаемого газа, требуемая степень
очистки, параметры энергоресурсов (давление пара, наличие
отбросного тепла, возможность использования вторичных энер-
горесурсов и т. д.);
внутренние параметры процесса — расход тепла, электро-
энергии, растворителя, отходы, тип и вес аппаратов;
экономические факторы — цены на энергию, сырье, отходы,
аппаратуру, а также дефицитность каких-либо видов сырья и
энергии.
Кроме того, следует иметь в виду, что для крупнотоннаж-
ных агрегатов при сравнении методов очистки необходимо учи-
тывать степень надежности процесса и оборудования.
Ниже приведены данные, характеризующие основные техни-
ческие и экономические показатели процессов моноэтанолами-
новой и поташной очисток газа от диоксида углерода раство-
ром моноэтаноламина (МЭА) и горячего поташа, активирован-
ного диэтаноламином (П-(-ДЭА):
Показатель МЭА П+ДЭА
Мощность производства, т МН3/сут 1360 1360
Содержание СО2 в газе на входе в очистку, °/о: (об,) Содержание СО2 в газе, на выходе из очистки, 17,4 17,4
см3/м3 50—300 500—1000
Давление процесса, МПа Суммарное количество! циркулирующего раствора, 2,6 2,85
м3/ч 1120 1450
Расход тепла на процесс, кДж/т NH3 2578270 3007280
Энергоматериальные затраты с учетом выдачи чи- стого диоксида углерода, руб/т NH3 Энергоматериальные затраты с учетом затрат на 1,42 2,27
оборудование, руб/т NH3 1,765 2,27
127
Как видно из приведенных данных, в процессе МЭА-очистки
несколько ниже расход тепла, значительно меньше количество
циркулирующего раствора.
В поташной очистке выше расход электроэнергии и ниже
степень очистки газа, обусловливающая 10-тикратное увеличе-
ние расхода водорода на процесс метанированпя, что вызывает
прямую потерю продукции (около 7 т/сут)- Кроме того, воз-
можны дополнительные потери водорода, азота и аммиака в
цикле синтеза за счет увеличения продувки, что .равноценно по-
тере дополнительно примерно 7 т аммиака в сутки. Таким об-
разом потери из-за неполного удаления СО2 составляют около
1,1% мощности установки.
Растворимость водорода в МЭА-растворе ниже, чем в по-
ташных растворах, что позволяет получить диоксид углерода
более высокой чистоты.
МЭА-раствор представляет собой стабильную гомогенную си-
стему с весьма низкой точкой замерзания, так что даже при
длительных остановках производства нет необходимости в по-
догреве раствора, или же потребность в подогреве минимальна.
В случае же поташной очистки при остановках и пусках агре-
гатов, особенно в зимнее время, возможна кристаллизация би-
карбоната калия.
Таким образом, процесс МЭА-очистки, имеет определенные
преимущества перед поташной очисткой.
Кроме того, при сравнении этих методов необходимо учиты-
вать, что габариты основных аппаратов — абсорберов и реге-
нераторов—-в установках МЭА-очистки меньше, что обусловле-
но более высокой скоростью абсорбции СО2 моноэтаноламино-
выми растворами по сравнению с поташными.
Метанирование оксидов углерода
После стадии очистки от диоксида углерода газ содержит
СО и СО2, которые вместе с кислородом и водяным паром яв-
ляются ядами для катализатора синтеза аммиака. При увели-
чении их концентрации выше 40 см3/м3 наступает необратимое
отравление, связанное с рекристаллизацией активного компо-
нента.
Для устойчивой и длительной работы катализатора синтеза
аммиака (более 4 лет) необходимо, чтобы содержание в син-
тез-газе оксидов углерода не превышало 25 см3/м3 [36] (в ря-
де случаев не более 10 см3/м3 [49]). .При содержании
оксида и диоксида углерода 40 см3/м3'*'6рок службы ката-
лизатора синтеза аммиака ограничивается тремя годами.
Достижение очень глубокой очистки (1—2 см3/м3) позволяет
улучшить экономические показатели стадии синтеза за счет
повышения активности катализатора в результате уменьшения
содержания ядов в синтез-газе [45]. Это дает'возможность ра-
128
ботать и цикле синтеза с большим содержанием инертов и,
следовательно, снизить расходный коэффициент по синтез-газу
и электроэнергии, а в конечном счете по природному газу.
Поэтому в крупных агрегатах синтеза аммиака проводят
тонкую очистку газа от оксидов углерода методом каталитиче-
ского гидрирования.
После абсорбционной очистки от диоксида углерода газ со-
держит 0,3—0,7% СО, что определяется активностью низко-
температурного катализатора конверсии СО, и 0,02—0,1% СО2.
Количество СОг зависит от метода очистки; после МЭА-очистки
газ содержит 200—300 см3/м3, а после активированной поташ-
ной — 0,2%. При нарушениях технологического режима в
обоих процессах на стадии очистки газа от СО2 бывают случаи
кратковременного повышения концентрации диоксида углерода
до 1,7%.
В соответствии с регламентами очищенный газ должен со-
держать СО не более 20 см3/м3, СО2 — 5 см3/м3.
Гидрирование оксидов углерода протекает по следующим
реакциям:
СО 4- ЗН2 = СН4 + Н2О + 206 кДж/моль (2.48)
СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + 165 кДж/моль (2.49)
Обе реакции обратимы и сильно экзотермичны, протекают
в присутствии катализаторов. Константы равновесия этих реак-
ций в интервале температур 200—400 °C имеют порядок вели-
чины 102—10В * 10, и следовательно реакции гидрирования при тем-
пературах ниже 400 °C могут рассматриваться как необрати-
мые, т. е. можно- достичь практически полной очистки газа
[36]. На практике степень очистки газа определяется актив-
ностью используемых катализаторов.
Процесс гидрирования оксидов углерода сопровождается
большим выделением тепла. Адиабатическое увеличение темпе-
ратуры на каждый процент прореагировавшего СО и СО2 со-
ставляет соответственно 74 и 60 °C. Для достижения макси-
мальной степени очистки процесс целесообразно вести при воз-
можно низкой температуре, которая определяется активностью
используемых катализаторов. Проведение процесса при темпе-
ратуре ниже 400 °C позволяет исключить необходимость при-
менения специальных материалов для изготовления каталити-
ческого реактора.
Катализаторы процессов гидрирования
оксидов углерода
В отсутствие катализаторов реакции гидрирования не про-
текают. Наиболее распространенными катализаторами явля-
ются никелевые, стабилизированные оксидом алюминия. Ката-
лизаторы могут быть активированы оксидом хрома.
9—831
129
Известные промышленные никельалюминиевые катализато-
ры активны при температуре 350—400 °C, никельалюмохромо-
вые — начиная с 200—250 °C. Если в газе присутствует кисло-
род, то на этих катализаторах он полностью гидрируется [37,
48, 50].
В старых схемах производства аммиака гидрирование кис-
лородсодержащих примесей проводили в колоннах предкатали-
за на катализаторах, аналогичных применяющимся для синтеза
NH3. Железные катализаторы менее эффективны, чем никеле-
вые. Высокой активностью при гидрировании оксидов углерода
обладают катализаторы на основе металлов платиновой груп-
пы, однако они дороги, и при наличии сравнительно дешевых
и активных никелевых катализаторов их применение нецелесо-
образно. Высокой активностью обладают и никельхромовые ка-
тализаторы, однако при использовании в крупных агрегатах
они недостаточно термоустойчивы.
В Советском Союзе в процессе метанирования применяют
катализатор НКМ-1. В последнее время используют новый ка-
тализатор марки ТО, он найдет в дальнейшем применение в
модернизированных агрегатах. В ряде агрегатов используется
катализатор С 13-4 (ССЕ).
Таблица 2.16. Основные характеристики катализаторов метанирования
различных марок
Показатель НКМ-1 то НКМ-4А С-13-4
Содержание никеля в пересчете на NiO, %, на прокаленное вещество 32—40 25—40 32—38 35
Содержание хрома в пе- ресчете на Сг2О3, % Размер таблетки, мм Отсутствует 10—20 Отсутствует
диаметр 5; 6 5; 6 5; 6 5,8—8,5
высота 5; 4,5 5; 4,5 5; 4,5 Шарики
Насыпная плотность, кг/м3 Механическая прочность: разрушающее усилие при раздавливании, кг/см3 по образующей 1100—1300 1100—1400 1000—1300 650—700
среднее 25 40 50 —
.минимальное на торец 13 12 30 —
среднее 250 250 300 —
(минимальное разрушающее усилие при раздавливании 125 125 150 —
шарика, кг — — — 16—34
Пористость, % 50 50 50 64
Удельная поверхность, 10~3-мг/кг 150 150 140 150
130
Катализаторы выпускаются в оксидной форме в виде табле-
ток. В табл. 2.16 приведены основные характеристики этих ка-
тализаторов.
Катализатор ТО в отличие от НКМ и С-13-4 содержит в
своем составе оксид хрома, это делает его более активным.
Катализаторы НКМ и ТО готовят бессточным методом по од-
ной технологической схеме. В качестве исходного сырья для
приготовления катализатора НКМ-1 используют основной кар-
бонат никеля, активный оксид алюминия и аммиачную воду.
Катализатор ТО готовят из основного карбоната никеля,
хромового ангидрида и гидроксида или активного оксида алю-
миния.
Исходные компоненты смешивают при комнатной темпера-
туре, при этом происходит химическое взаимодействие и выде-
ляется диоксид углерода, по окончании реакции продолжают
перемешивание при 80—100 °C в течение 4—5 час. Катализа-
торную массу прокаливают при 400—420 °C, смешивают с гра-
фитом и водой и таблетируют.
'Перед эксплуатацией катализатор восстанавливают, оксид
никеля при этом переходит в металлический никель. В процес-
се приготовления катализатора на стадии прокаливания воз-
можно образование никельалюминиевой шпинели. Она также
восстанавливается, но значительно медленнее и при более вы-
сокой температуре (450°C вместо 300—320°C). Невосстанов-
ленная шпинель не активна, и поэтому ее присутствие в ката-
лизаторе нежелательно.
При промышленной эксплуатации катализаторов метаниро-
вания выделяют следующие основные свойства:
Активность характеризуется объемной скоростью и темпера-
турой, при которых катализатор обеспечивает требуемое оста-
точное содержание оксидов углерода. Снижение остаточного
содержания оксидов углерода даже в пределах 20 см3/м3 поз-
воляет повысить, как показано выше, экономичность стадии
синтеза.
Метанирование СО протекает с большей скоростью, чем
СОг. Однако для дальнейшей переработки газа СОг является
более вредным компонентом, так как может образовывать с
аммиаком карбоматы, которые отлагаются на лопатках турби-
ны и выводят их из строя.
Термостойкость — максимальная температура, непродолжи-
тельный нагрев до которой не приводит к снижению активно-
сти. При нарушениях технологического режима, пусках и оста-
новках агрегатов содержание оксидов углерода в очищаемом
газе может увеличиться до 1% и более, что приводит к повы-
шению температуры в слое катализатора, который, если он не
термоустойчив, быстро выйдет из строя.
Стабильность характеризуется главным образом устойчи-
востью катализатора к воздействию реакционной среды и при-
месям, присутствующим в газе. От стабильности, а также от
9*
131
механической прочности контактов зависит срок службы [ката-
лизатора. Для начала работы катализаторов требуется предва-
рительный подогрев газа до 280—320 °C (никельалюминиевые)
и до 200 °C (никельалюмохромовые), который осуществляется
до поступления газа на катализатор в теплообменниках или
подогревателях.
В крупных агрегатах производства аммиака процесс мета-
нирования проходит при объемной скорости 4000 ч-1, темпера-
туре 310—350 °C под давлением (24—25)-10s Па. Такая объ-
емная скорость не является предельной, катализаторы могут
работать и при более высокой нагрузке, особенно ТО, который
обеспечивает тонкую очистку при объемной скорости до
8000 ч-1. Для катализатора НКМ-1 эта величина составляет
~6000 ч-1. Возможность применения катализатора ТО при бо-
лее низкой температуре может быть учтена при дальнейшем
усовершенствовании схемы производства аммиака. Известно
[49], что в ГДР на заводе в г. Шведт такое усовершенствова-
ние уже сделано, при этом используется никельалюмохромовый
контакт 6542, выпускающихся заводом в г. Лейна. Схема про-
цесса будет приведена ниже.
Активность катализаторов метанирования НКМ-1 согласно
ТУ определяется на динамической установке по минимальной
температуре очистки водорода или азотоводородной смеси сте-
хиометрического состава от оксида углерода до определенного
остаточного содержания. Однако этот метод нельзя считать со-
вершенным, кроме того, его достаточно сложно реализовать
из-за необходимости установления не прямой зависимости тем-
пература — активность, а обратной — активность — температу-
ра, что связано с методическими трудностями.
Активность катализаторов можно сравнивать по остаточно-
му содержанию оксидов углерода. В этом случае обычно про-
цесс ведут при относительно низкой температуре и высокой
объемной скорости: давление 5-Ю5 Па, объемная скорость
20 000 ч-1, исходная концентрация СО—-1%. Сравнительная
активность катализатор > ТО и НКМ, определенная этим ме-
тодом, приведена в табл. 2.-17.
Наиболее правильной является оценка активности по кон-
станте скорости или по скорости реакции на безградиентной
Таблица 2.17. Сравнительная активность катализаторов метанирования
Температура, °C Остаточное содержание СО в газе после катализаторов см3/м3
то НКМ
200 <0,3 <0,3
180 <0,3 ’ <900
170 , 30- 4600
132
Таблица 2.18. Сравнительная активность катализаторов метанирования
Катализатор Скорость реакции, яу-103
103 м3/(кг-с)
НКМ-1 20,2 18,9
то 54,0 52,8
С-13-4 21,6 31,3
установке. В связи с тем, что достоверного кинетического урав-
нения для реакций метанирования до настоящего времени не
предложено, сравнивать активность катализаторов можно по
скорости реакции. Этот метод достаточно чувствительный и до-
стоверный. В табл. 2.18 приведены значения скоростей реакции
для различных катализаторов при испытании в .проточно-цир-
куляционной установке: давление атмосферное, исходный газ —
Н2, содержащий 1 % СО, катализатор .промышленного зернения,
объем загрузки 2 см3, концентрация СО в цикле 3800 см3/м3.
Приведенные данные еще раз подтверждают более высокую
активность катализатора .марки ТО1.
О качестве отечественных катализаторов по сравнению с
лучшими зарубежными можно судить из данных табл. 2.19, ко-
торые получены при лабораторных .испытаниях на динамиче-
ской установке. Исходный газ содержит Н2 и 0,5—0,8% СО и
СО2, давление атмосферное, размер зерна катализатора 1,0—•
1,5 мм, объем загрузки 2 см3, остаточное содержание СО и
СО2 не более 5 см3/м3 (каждого компонента).
Таким образом, отечественные катализаторы обладают вы-
сокой активностью и термоустойчивостью. Это подтверждается
и результатами промышленной эксплуатации.
Ядами для никелевых катализаторов метанирования явля-
ются соединения серы, мышьяка, хлора. Содержащий 0,1—0,2%
серы катализатор является полностью дезактивированным.
Однако в условиях крупных агрегатов маловероятно попадание
Таблица 2.19. Сравнительные характеристики катализаторов
метанирования
Катализатор Содержание примесей, % Температура полной очистки Термоста- бильность, ?С Механиче- ская проч- ность по торцу, 10s Н/м2
со С02 по СО ПО СО2
НКМ-1 0,5 0,34 180 260 650 350
то 0,5 0,34 170 250 550 300
С-13-4 (ССЕ) 0,43 0,33 190 — 500 ,—
6542 (LEUNA) 0,5 0,34 170 — 500 270
BS (BASF) 0,5 0,34 200 — 500 170
133
.на катализатор вредных примесей, так как он находится в схе-
ме после низкотемпературной конверсии СО и очистки газа от
диоксида углерода, в которых задерживаются практически все
примеси. Наиболее вероятные яды, которые могут отравлять
катализатор метанирования, — это абсорбенты, применяющиеся
для удаления СОг, или продукты их разложения. Они могут
попасть на катализатор метанирования при плохой сепарации
из газа или в аварийных ситуациях.
Например, концентрация моноэтаноламина после МЭА-
очистки в крупном агрегате производства аммиака изменяется
от 1—2 до 100 мг/м3, при нормальной очистке она составляет
5—20 мг/м3 газа.
Было установлено [64], что раствор МЭА существенно от-
равляющего действия на никелевые катализаторы не оказыва-
ет, он лишь блокирует поры катализатора. После испарения
раствора катализатор продолжает эффективно работать. При
попадании значительных количеств МЭА-раствора катализатор
метанирования снижал активность. Установлено, что снижение
активности наблюдается при попадании в катализатор МЭА
в количестве 0,6—1 кг/кг (в пересчете на 100%-ный МЭА). Раз-
рушение катализатора при попадании на него МЭА-раствора
обусловлено увлажнением катализатора, независимо от приро-
ды жидкости. Щелочные растворы (Кароол, Бенфилд) оказы-
вают неблагоприятное действие, так как после испарения рас-
творителя щелочь остается на поверхности катализатора, сни-
жая его активность. Таким образом, следует избегать попада-
ния на катализатор растворителей.
Для обеспечения длительной устойчивой работы катализа-
торов метанирования с высокой степенью очистки необходимо
соблюдать ряд условий помимо тех, о которых шла речь выше.
Так, необходимо соблюдать все требования хранения, транс-
портирования и загрузки катализаторов.
Катализаторы метанирования проявляют высокую актив-
ность по отношению к нежелательной реакции (Будуара):
2СО <—>: СО2 + С + 172 кДж/моль (2.50)
Эта реакция может конкурировать с гидрированием при
низких отношениях концентраций водорода и оксида углерода.
При содержании СО более 2% и высоких температурах проте-
кание реакции реально, и к дезактивации катализатора может
привести не только повышение температуры, но и отложение
углерода на его поверхности.
Перед началом эксплуатации, как указано выше, катализа-
торы метанирования восстанавливают. Операция восстановле-
ния проходит быстро (практически одновременно с разогревом
метанатора) и занимает 8—10 ч. Катализатор восстанавливают
технологическим газом, поступившим после НТК и очистки от
СО2. Процесс начинается при 200 °C, он не сопровождается зна-
чительным выделением тепла и подъемом температуры в слое
134
катализатора. Восстановление проходит по реакциям:
NiO -f- Н2 = Ni -f- Н2О — 2,55 кДж/моль (2.51)
NiO4-СО = Ni + СО2 + 30,3 кДж/моль (2.52)
Сразу после восстановления катализатора начинается реак-
ция метанирования, за счет которой происходит некоторый под-
ем температуры. Увеличения температуры достигают главным
образом введением в метанатор по байпасу газа после средне-
температурной конверсии СО, поддерживая в газе концентра-
цию оксида углерода 1,3—1,5% и температуру 400 °C. Главным
показателем процесса восстановления является температура.
Восстановление проводят при давлении (24—25)-105 и объем-
ной скорости 3000—4000 ч-1. Подъем давления проводят посте-
пенно при температуре около 200 °C.
При 400 °C катализатор выдерживают 20—24 ч, а затем спи
жают температуру до рабочей. Свежевосстановленпый катали-
затор очень активен и в процессе восстановления на частично
восстановленном катализаторе происходит практически полное
гидрирование оксидов углерода.
В начале процесса восстановления возможна нежелательная
реакция -— взаимодействие оксида углерода с металлическим
никелем с образованием карбонила никеля Ni(CO)4. Это со-
единение является токсичным, образуется при атмосферном
давлении при температуре ниже 180—200 °C, при температуре
ниже 43 °C переходит в жидкое состояние. Повышение давле-
ния способствует образованию карбонила никеля. Карбонил ни-
келя является летучим соединением, его образование приводит
к потерям активного компонента катализатора — никеля.
Во избежание образования карбонила никеля разогрев ката-
лизатора до 200 °C ведут при давлении менее (3,5—4)-105 Па,
газ при этом должен содержать меньше оксида углерода.
Восстановленный катализатор метанирования пирофорен,
перед выгрузкой он должен быть подвергнут окислению или
пассивации. Разработан метод так называемого внеколонного
восстановления катализаторов метанирования. Потом их пас-
сивируют. После загрузки в контактные аппараты катализато-
ры нуждаются лишь в незначительном довосстановлении.
Гарантированный срок службы катализаторов метанирова-
ния составляет 4—5 лет, а проектная расходная норма катали-
затора — 0,02 кг/т аммиака. Практически во всех действующих
агрегатах катализаторы метанирования не перегружались, при-
чем для ряда из них продолжительность работы уже состави-
ла 5—6 лет.
Как следует из приведенных выше данных, современные ка-
тализаторы метанирования являются высокоактивными и ус-
тойчивыми, отличаются высокой прочностью, имеют длительный
срок службы. Высокая активность катализаторов обусловлива-
ет небольшие габариты контактного аппарата—'метанатора, а
единовременная загрузка катализатора в крупном агрегате со-
135
«>
ставляет 35—40 т. Тем не менее ведутся работы, направленные
на дальнейшее усовершенствование катализатора, чтобы он мог
работать при еще более высоких нагрузках и обеспечивать
сверхтонкую очистку газа от оксидов углерода (<1 см3/м3).
Кроме того, ведутся работы по подбору для приготовления ка-
тализатора менее дефицитного сырья и снижению концентра-
ции никеля.
Технологическая схема гидрирования
оксидов углерода и основные особенности
аппаратурного оформления процесса
Схема метанирования представлена на рис. 2.47. Установ-
ку метанирования располагают после аппаратов очистки газа
от диоксида углерода, она состоит из метанатора 7, подогрева-
телей газа 1, 2 холодильников 5, 6, аппарата воздушного ох-
лаждения 4 и влагоотделителя 3. Газ после очистки от диокси-
да углерода проходит через сепаратор, в котором от него от-
деляются капли абсорбента, затем подогревается в двух после-
довательно расположенных теплообменниках и направляется
в метанатор. Очистку осуществляют при 350—380 °C, объем-
ной скорости 4000—5000 ч-1 и давлении до 30-105 Па. Линей-
ная скорость газа в аппарате составляет 0,3—0,4 м/с.
Для подогрева газа до температуры реакции в теплообмен-
никах в зависимости от энерготехнологической схемы всего аг-
регата синтеза аммиака используют различные теплоносители.
Тепло очищенного газа после метанатора используют для
подогрева газа или воды (в зависимости от схемы агрегата
производства аммиака). В отечественном крупном агрегате про-
изводства аммиака тепло реакции метанирования используется
для подогрева питательной воды.
Рис. 2.47. Принципиальная схема установки метанирования:
1,2 — подогреватели; 8 *— влагоотделитель; 4 — воздушный холодильник; 5, 6 — холодиль-
ники; 7 — метаиатор.
136
Рис. 2.48. Схема подогрева газа перед мета-
иированием в случае применения катализато-
ра, работающего при 200—250 °C:
1 — метанатор; 2, 8 — теплообменники.
Очищенная азотоводородная
смесь из метанатора с темпера-
турой 380 °C проходит межтруб-
ное пространство подогревателя
питательной воды, где охлажда-
ется до 130 °C, и межтрубное
пространство подогревателя глу-
бокообессоленной воды, где ох-
лаждается до 60—90 °C. Оконча-
тельное охлаждение и конденсация
200° С
водяных паров, образовав-
шихся в результате реакции метанирования, происходят в ап-
парате воздушного охлаждения. После отделения газового кон-
денсата во влагоотделителе азотоводородная смесь направляет-
ся на вход I ступени компрессора.
Для стабилизации процесса метанирования температуру га-
за перед метанатором поддерживают постоянной автоматически
при помощи байпасирования части газа мимо теплообменников,
подогревающих его перед метанатором. Для предотвращения
повышения температуры в метанаторе выше допустимой обыч-
но устанавливают блокировку
для прекращения подачи газа в
метанатор, а газ выбрасывают на
факел через регулятор давления,
установленный на свече перед
метанатором.
Увеличить температуру в ме-
танаторе можно, дозируя количе-
ство газа с повышенным содер-
жанием оксидов углерода, посту-
пающего на катализатор. Газ из
отделения метанирования пода-
ют на компрессию.
Если для процесса метаниро-
вания применять катализатор
ТО, работающий при более низ-
кой температуре, чем AM и НКМ,
то технологическая схема может
быть изменена, что позволяет бо-
лее рационально использовать
тепло. Измененная схема осуще-
Рис. 2.49. Метанатор:
1 — корпус; 2 — катализатор; 3 — опорная ре-
шетка.
137
ствлена в крупном агрегате производства аммиака на заводе
в г. Шведте (рис. 2.48) с использованием катализатора «Лей-
на» и описана в литературе [|49].
В промышленности для проведения процесса метанирования
используют аксиальные, полочные или шахтные аппараты. Для
новых, более совершенных установок проектируют радиальные
метанаторы.
Метанатор шахтного типа имеет такое же устройство, как и
конвертор СО. Однако, поскольку в него загружают примерно
в два раза меньше катализатора (35 м3), метанатор при той же
высоте слоя катализатора (3,5 м) имеет меньший диаметр
(3,7 м), чем конвертор СО (~5 м); это приведет к лучшему
распределению газа. Высота аппарата составляет 8,7 м. Снару-
жи аппарат изолирован.
Применяют также метанаторы (рис. 2.49), в которых ката-
лизатор загружают также в один слой, но на специально вмон-
тированную в аппарат решетку.
Синтез аммиака
Физико-химические основы процесса синтеза аммиака
Равновесие реакции
Синтез аммиака может быть описан обратимой экзотерми-
ческой реакцией
N2-p3H2 2NH34-Q (2.53)
Согласно принципу Ле-Шателье выход продукта 'будет уве-
личиваться при повышении давления и снижении температуры.
В табл. 2.20 приведены равновесные концентрации аммиака,
вычисленные по стехиометрическим соотношениям (2.53).
Уравнение константы равновесия при выражении концентра-
ции реагирующих веществ через их парциальные давления име-
ет вид:
Bnh3
Кр = Pn2°’57’H21>6 (2.54)
где Pn2, Рн2 , Pnh3—парциальные давления N2, Н2, NH3.
Таблица 2.20. Равновесная концентрация аммиака
при давлении 300-10® Па
Температура, °C Равновесная кон- центрация аммиа- ка, % (мол.) Температура, °C Равновесная кон- центрация аммиа- ка, % (мол.)
300 70,96 500 26,44
350 59,72 550 19,13
400 47,00 600 13,77
450 35,82
138
Таблица 2.21. Зависимость равновесной концентрации аммиака
от концентрации инертных газов в исходной смеси
при разных температурах и давлении 300-105 Па
Концентра-
ция инерт-
ных газов,
1, мольные
доли
С,(5
0,10
0,20
Равновесная концентрация аммиака, % (мол.) при температуре, °C
400 450 500 550 600
42,5 32,4 24,0 17,3 12,5
38,5 29,4 21,6 15,7 11,3
31,4 23,9 17,7 12,8 9,2
Константу равновесия можно определить и с помощью урав-
нения Вант-Гоффа
dlnft,, Ml
dT ~ /?Т2
(2.55)
где А// — тепло реакции при температуре Т.
Если известны равновесные концентрации аммиака в смеси,
не содержащей инертных газов, то равновесную концентрацию
NH3 в присутствии инертных газов можно вычислить по урав-
нению:
z« = 4^Tz1 (256)
где Zi, Zo — равновесные концентрации аммиака в смесях соответственно без
инертных примееей и в нх присутствии, мол. доли; i — концентрация инертных
примесей, мол. доли.
Равновесные концентрации NH3 (%) при различных кон-
центрациях инертных газов в исходной смеси и температурах,
рассчитанные по этому уравнению, приведены в табл. 2.21 [27].
Расчет равновесия синтеза аммиака с учетом неидеальности
реакционной смеси для узкого диапазона давлений и темпера-
тур (Р= (200-4-350) • 105 Па, /=3504-550 °C) можно проводить
по уравнению (2.57) [65]:
Кр2 = (4,3856- 10-м + 0,4704-10lsU +
+ 2,1152- 10-«772exp [(12 350 + 5.508Р)/] (2.57)
где 17= (Р—240)/20.
Кинетика и механизм реакции
Исследования кинетики синтеза аммиака проводят уже
более полувека, однако вследствие сложности механизма про-
цесса и природы активных центров продолжаются и в настоя-
щее время во многих странах мира [66, 67].
Наибольшее распространение получило уравнение синтеза
аммиака, предложенное Темкиным и Пыжевым [68]. Они исхо-
дили из представления о неоднородной поверхности и о том,
139
что лимитирующей стадией является адсорбция азота, причем
на поверхности находится только азот, а лимитирующей ста-
дией разложения аммиака — десорбция азота. При этом коли-
чество атомов азота на поверхности катализаторов больше, чем
любых адсорбированных азотсодержащих соединений, ни водо-
род, ни аммиак не влияют на скорость адсорбции азота, а энер-
гии активации адсорбции £д и десорбции £d линейно умень-
шаются с увеличением степени заполнения поверхности.
( />3н, \“ ( ^2nh3
(2-58)
где со — общая скорость процесса; Ki, К2 — константы скоростей прямой и
обратной реакции; Рк2, Рн2, Рмн3—парциальные давления водорода, азо-
та и аммиака.
Значение а характеризует степень покрытия поверхности
катализатора азотом в условиях процесса синтеза аммиака.
Для железных катализаторов его принимают обычно рав-
ным 0,5.
Уравнение (2.58) применимо лишь в области не слишком
далекой от равновесия.
Кинетика и механизм реакции синтеза аммиака при удале-
нии системы от состояния равновесия были рассмотрены Тем-
киным, Морозовым и Шапатиной [69].
К'-Р^-Р^т' (2.59)
Оказалось, что значения т' .и а в уравнении (2.59) совпада-
ют, т. е. независимо от того, осуществляется синтез вдали от
равновесия или в области, близкой к равновесной, а остается
величиной постоянной.
Кинетику синтеза аммиака с учетом обратимого отравления
катализатора кислородными ядами можно описать уравнением
Темкина — Смирнова [70]
К1Р^-К2Р^Нз/Р{
Р^Н;, Рц2О
~РЪГ + А~Ъ~
где Pnhs, Pn2, Phs — парциальные давления аммиака, азота и водорода;
Рн 2о=Рн2о+Рсо+2Рсо2—парциальные давления водяного пара, оксида и
диоксида углерода, А — константа отравления.
При Phso = 0 уравнение переходит в уравнение Темкина —
Пыжова.
Из уравнения Темкина — Пыжова следует, что максималь-
ная скорость реакции не соответствует эквивалентному составу
газовой смеси. В начальной стадии процесса, когда содержание
аммиака значительно меньше равновесного и реакция разложе-
ния аммиака может не учитываться, максимальная скорость оп-
ределяется'максимумом произведения Рма-Т’нд1,5. Отсюда сле-
540
дует, что максимальная скорость в начальной стадии процесса
соответствует составу Рн2/^Рн2 = 1,5. Однако разница в выходе
составляет лишь 6%. По мере приближения выхода к р ап новее-
ному оптимальный состав приближается к составу Ph2/Pn2 = 3,
так как по закону действующих масс равновесный выход до-
стигает максимума при эквивалентном составе.
Как указывалось выше, реакция синтеза аммиака является
обратимой экзотермической реакцией. Для реакции этого типа
оптимальной является убывающая последовательность темпе-
ратур. В начале зоны катализа высокая температура обеспечи-
вает наибольшую скорость реакции, а по мере увеличения со-
держания аммиака в газовой фазе и приближения к .состоянию
равновесия следует снижать температуру в зоне катализа.
Для обеспечения максимальной производительности реакто-
ра необходимо реализовать оптимальные температуры по дли-
не каталитической зоны для каждого поперечного сечения,
обеспечивающие максимальную скорость процесса в данном се-
чении.
Основываясь на вышеизложенном и считая, что температур-
ная зависимость констант прямой и обратной реакций следует
уравнению Аррениуса, можно вывести уравнение для расчета
оптимальной температуры, которое дается в работах [71, 72]:
7опт —
7равн
£7Равн
£2 Е1
In -Ф-
(2.61)
1 +
где £i и Ez— энергии активации реакций синтеза и разложения аммиака,
причем Е1+ Е2 = 2Н
где 2Н — тепловой эффект реакции, кДж/моль.
Кьер [73] 1в отличие от Дембига [71] вывел уравнение для
расчета оптимальной температуры:
Т’опт^ РТп Е RT (2.62)
рапп . г-2—опт
1+ Е2-Е1 1п Ei-^опт
Воротилина и Соколинский [74] вывели уравнение:
а
АпТ = т 2“ Т (2.63)
ln \ E2/R—a ’
где п, b, 2 — мольные доли азота, водорода, аммиака; F и о — постоянные,
зависящие от давления. Так, при £=300 кг/см2, £=3,1604-10 3, а=1402.
Для обеспечения максимальной производительности в нача-
ле зоны катализа теоретически более выгодны относительно
высокие температуры (550—650°C), которые практически не-
приемлемы из-за усиленной рекристаллизации катализатора,
«что приводит к падению его активности, а также из-за усилен-
141
ной газовой коррозии конструкционных материалов насадки и
термических напряжений, обусловливающих аварийные ситуа-
ции и остановку агрегатов.
Оптимальная последовательность температур в промышлен-
ном каталитическом реакторе синтеза аммиака в начале зоны
катализа ограничивается скоростью теплоотвода, а в конце ка-
талитической зоны большое влияние оказывает аммиак, обра-
зующийся в процессе. Основной причиной снижения активности
катализатора является уменьшение работающей поверхности
катализатора адсорбированным азотом, находящимся в равно-
весии с образующимся аммиаком и водородом газовой фазы.
Обратной реакцией при высоком давлении и более низких тем-
пературах можно пренебречь в связи с большим удалением от
состояния равновесия. Поэтому скорость процесса можно опи-
сать следующим кинетическим уравнением:
№=KPN2(l-eNp (2.64}
где 0 — степень заполнения поверхности азотом, находящимся в адсорбци-
онно-химическом равновесии.
При 0w—>-1 скорость реакции синтеза может быть очень ма-
лой и вдали от состояния равновесия вследствие блокировки
работающей поверхности катализатора. При определенной кон-
центрации аммиака в газовой фазе даже при довольно высокой
температуре (400—450 °C) нижние слои зоны катализа практи-
чески не принимают участия в синтезе аммиака [75].
Катализаторы синтеза аммиака
Каталитическую активность в процессе синтеза аммиака
проявляют многие элементы периодической системы. Сравни-
тельно высокой активностью обладают металлы VI, VII и
VIII групп. Однако в промышленности нашли применение толь-
ко железные плавленые промотированные катализаторы. Тео-
ретические основы работы катализаторов подробно рассмотре-
ны в работах [76—77].
Промышленный железный катализатор синтеза аммиака со-
держит промоторы двух типов: структурообразующие — Л12О3,
MgO, SiO2 и модифицирующие — КгО, СаО и др. Это позволя-
ет получить катализатор с большой и активной поверхностью,
но при условии оптимальных количеств и соотношений промо-
торов. С увеличением содержания структурных промоторов уве-
личивается удельная поверхность катализатора и повышаются
его термостойкость и устойчивость в отношении действия кис-
лородсодержащих ядов, но величина активности проходит через
максимум при определенном содержании промоторов.
При увеличении количества щелочного промотора, например
КгО, активность катализатора проходит через максимум, когда
поверхность на 30—40% покрыта щелочью.
142
Таким образом, влияние этих промоторов на. активность и
величину поверхности противоположно: КгО увеличивает
удельную каталитическую активность поверхности, но умень-
шает поверхность, снижает термоустойчивость и устойчивость
к кислотосодержащим ядам, А12О3 увеличивает поверхность,
термоустойчивость и устойчивость к кислородосодержащим
ядам, но снижает удельную каталитическую активность.
При разработке катализатора, используемого в промышлен-
ности, следует учитывать длительность службы катализатора
(несколько лет) в условиях некоторой псстационарности техно-
логического процесса.
В промышленных каталитических реакторах процесс синтеза
аммиака протекает при меняющихся по длине зоны катализа-
тора температуре, объемной скорости, составе газа и т. д., что
приводит к изменению химического состава и строения поверх-
ности катализатора и вследствие этого — активности катализа-
тора.
Комплексные исследования образцов катализаторов, как ис-
ходных, так и проработавших в жестких промышленных усло-
виях в различных местах зоны катализа, позволили дать ответ
о причинах дезактивации катализаторов [78].
Установленная закономерность дезактивации катализаторов
в реакторе синтеза аммиака должна сохраниться применитель-
но к крупнотоннажным агрегатам [79—81].
Железный катализатор синтеза аммиака, применяемый в
промышленности, сначала готовят в окисленном состоянии ме-
тодом плавления с добавками промотирующих соединений, а
затем восстанавливают водородом или азотоводородной смесью
до активного состояния. Заключительная стадия — окончатель-
ное формирование катализатора в рабочих условиях катализа
в колонне синтеза, которое происходит вследствие химического
взаимодействия с компонентами реакционной среды в реальных
условиях эксплуатации, так как состав реакционной смеси и ус-
ловия каталитической реакции оказывают влияние на химиче-
ский состав и свойства катализатора.
В окисленном состоянии катализатор содержит 90—93%
магнетита Fe3O$ с некоторым избытком FeO по сравнению со
стехиометрическим, 7—10% промотирующих (AI2O3, К2О, СаО)
и примесных (SiO2 и др.) соединений. Качество катализатора
гарантируется единым отраслевым стандартом.
Катализатор синтеза аммиака выпускают двух марок СА-1
' (окисленный) и СА-1 В (восстановленный), в гранулированном
.или дробленом виде.
Катализатор синтеза аммиака в соответствии со стандартом
характеризуется следующими показателями (табл. 2.22) [82]:
Активность катализатора (содержание аммиака в газе, об.
%) на выходе из колонны синтеза при давлении 300-105 Па,
«объемной скорости 30 000 ч~* для обеих марок и видов в зави-
143
Таблица 2.22, Стандартные характеристики катализаторов
Т а б л и ц а 2.23. Зависимость активности и гидравлического сопротивления
катализатора от размера зерен [82]
Размер зерен, мм Относительная активность ............... . . Относительное гидравлическое сопротивление катализатора
дробленого гр а нулирова иного
10—15 1,0 1,о
7—10 1,07 1,5 1,25
5—7 1,15 2,0 1,50
3—5 1,2 4,0 2,0
1—3 1,25 6,0 4,0
симости от температуры процесса должна быть пс пижс [82]:
Температу- Активность катали-
ра, °C затора
550 15,0
600 19,0
475 20,0
450 20,0
400 14,0
СА-1 восстанавливают в .колонне синтеза аммиака. Колон-
ну, загруженную восстановленным вне агрегата синтеза и за-
пассивированным катализатором СА-1 В, пускают после его до-
восстановления.
Гранулированный катализатор отличается от дробленого
значительно более высокой механической прочностью на исти-
рание, и, как следствие, более низким средним гидравлическим
сопротивлением слоя одинакового зернения. В результате по-
является возможность использовать катализатор меньшего зер-
нения и увеличить выпуск аммиака за счет уменьшения влия-
ния внутридиффузионного торможения. Влияние размера зерен
гранулированного и дробленого катализаторов на относитель-
ную активность и гидравлическое сопротивление слоя представ-
лено в табл. 2.23.
Основные принципы управления процессом синтеза аммиака
Эксплуатация систем синтеза аммиака сложна из-за на-
личия многочисленных прямых и обратных связей между регу-
лируемыми и регулирующими параметрами процесса.
Наибольшая эффективность достигается при оптимизации
таких параметров процесса, как давление, температурный ре-
жим, объемная скорость, состав газа, подаваемого в реактор
синтеза аммиака, по основным компонентам (Н2, N2, NHg) и
t примесям (яды, инерты).
144
10—831
14S.
Если температурный режим, количество продувочных газов
ж другие параметры обеспечивают заданную производитель-
ность по аммиаку, то пониженное давление свидетельствует о
хорошей работе системы синтеза аммиака.
Однако следует отметить, что очень редки случаи, когда
регулирование процесса изменением давления является само-
стоятельной задачей (в период пуска и остановки), чаще всего
оно изменяется в результате регулирования таких параметров,
как газовая нагрузка (расход свежего синтез-газа и скорость
циркуляции), расход продувочных газов, температурный режим
реактора синтеза, температура вторичной конденсации, темпе-
ратура газа на входе в реактор, соотношение и чистота син-
тез-газа.
Факторы, изменение которых приводит к изменению давле-
ния в системе, перечислены ниже.
Изменение температурного уровня в реакторе влечет за со-
бой изменение одновременно двух величин: равновесного со-
держания аммиака и скорости реакции. Причем увеличение
температуры приводит к снижению равновесного содержания
и ускорению реакции синтеза аммиака. Поэтому в промышлен-
ных условиях, обеспечивающих предельную для данных усло-
вий степень превращения (близкую к равновесной), подъем
температуры приводит к пропорциональному снижению степени
превращения. Соответственно при прочих равных условиях бу-
дет наблюдаться рост давления в системе.
Изменение газовой нагрузки на входе в реактор влияет на
давление в системе следующим образом: при уменьшении на-
грузки степень конверсии увеличивается, что вызывает повы-
шение температуры в зоне катализа и, в свою очередь, к увели-
чению давления в системе. И наоборот, увеличение газовой на-
грузки на реактор (в известных пределах) приводит к сниже-
нию давления в системе. Кроме того, при повышении объемных
скоростей, с одной стороны, снижается степень конверсии, а
с другой — температурный уровень в зоне катализа и увеличи-
вается производительность реактора по аммиаку. Последнее
'Связано с тем, что уменьшение производительности реактора от
снижения концентрации аммиака в выходящем газе компенси-
руется увеличением объемной скорости, так как в процентах
это увеличение значительно 'больше снижения концентрации
аммиака.
Расход свежего синтез-газа в соотношении Н2: N2= (2,5—3) :
.: 1 зависит от режима работы, активности катализатора, задан-
ной производительности установки. Синтез-газ, удаляемый из си-
стемы в виде аммиака и продувочных и танковых газов, непре-
рывно поступает от компрессора. При избытке синтез-газа дав-
ление в реакторе синтеза повышается до допустимого предела
компрессора, а избыток его сбрасывается на факельную уста-
новку перед 1-ой ступенью компрессора (после сепаратора син-
тез-газа, поступающего из метанатора) или разгружается ри-
-146
форминг. Если же расход синтез-газа уменьшается (или недо-
статочен), вращение компрессора замедляется и давление в си-
стеме снижается до достижения баланса между поступающим
на синтез газом и получающимся аммиаком.
Скорость реакции синтеза аммиака зависит от состава газо-
вой смеси. Оптимальным составом при равновесии, согласно
закону действующих масс, является стехиометрический. Откло-
нение от равновесия ведет к более низкому значению опти-
мального соотношения вследствие влияния кинетических фак-
торов. Максимальная скорость реакции в рабочих условиях на-
блюдается при соотношениях H2:N2 = 2,5 2,8. Поэтому в про-
мышленных. условиях при работе систем синтеза с предельным:
выходом аммиака (близким к равновесному) отклонение со-
става от оптимального соотношения приводи г к снижению ско
роста процесса синтеза и, соответственно, к увеличению давле-
ния.
Увеличение содержания аммиака в газе на входе в реактор
(повышение температуры вторичной конденсации) приводит
к увеличению давления, так как снижается скорость реакции
синтеза за счет торможения процесса продуктом реакции (ам-
миаком). Уменьшение начальной концентрации аммиака при-
водит к более высоким степеням превращения и соответственно"
к снижению давления в системе.
Изменение содержания инертных газов в синтез-газе на
входе в реактор приводит к изменению давления в системе за
счет изменения эффективного давления, определяемого по урав
нению:
рэфф = робщ (1 — О2 (2.65)
где i — содержание инертных газов, доли от общего давления.
Изменение эффективного давления приводит соответственно
к изменению степени конверсии и скорости реакции синтеза
аммиака. Причем с ростом содержания инертных газов давле-
ние в системе синтеза увеличивается, при их снижении — умень-
шается.
Изменение активности катализатора также приводит к из-
менению давления в системе.
Температура, скорость процесса, чистота синтез-газа явля-
ются основными причинами, приводящими к изменению актив-
ности катализатора. Так, при работе даже на чистом синтез-
газе активность катализатора, подвергавшегося действию вы-
соких температур (530 °C) в течение длительного времени, сни-
жается необратимо за счет постоянно протекающих в катализа-
торе рекристаллизационных процессов.
Интенсивное ведение процесса синтеза аммиака при высо-
ких температуре в зоне катализа, давлении и объемной скоро-
сти приводит к резкому снижению активности катализатора.
К чистоте синтез-газа предъявляют высокие тербования, и су-
10*
147
шествующие в крупнотоннажных агрегатах методы очистки
позволяют получить синтез-газ высокой чистоты. Так, в свежем
-синтез-газе содержание кислородсодержащих соединений (СО,
*СО2, Н2О и О2) не должно превышать 10—12 см3/м3, а соеди-
нения серы, хлора и пары смазочного масла должны практиче-
ски отсутствовать.
Свежая азотоводородная смесь, поступающая в отделение
синтеза, содержит до 25 см3/м3 кислородсодержащих соедине-
ний. Пройдя сепарационную часть конденсационной колонны,
свежий газ промывается жидким аммиаком и почти полностью
«•освобождается от кислородсодержащих соединений.
Однако, при нестационарных условиях ведения процесса
(поскольку весь агрегат представляет собой динамическую, ве-
роятностную систему) наблюдаются периоды, когда концентра-
ция кислородсодержащих ядов в синтез-газе значительно пре-
вышает указанные нормы, что вызывает резкую временную и
частично необратимую дезактивацию катализатора. Снижение
«активности катализатора, вызванное любой причиной или их
совокупностью, приводит к снижению степени конверсии, что
влечет за собой при сохранении постоянства расхода синтез-
газа повышение давления в системе синтеза аммиака. И нао-
борот, повышение активности катализатора при работе на чис-
том синтез-газе приводит к повышению степени конверсии и
соответственно к снижению давления в системе.
Оптимальным в системе синтеза аммиака является возмож-
ен© более низкое давление, обеспечивающее заданную произ-
водительность агрегата по аммиаку с учетом затрат на выделе-
ние продукта из циркуляционного газа.
Изменение температурного уровня в зоне катализа возмож-
но за счет следующих факторов.
Повышение давления. При повышении давления температур-
ный уровень в реакторе повышается, так как возрастают сте-
пень превращения и соответственно тепловыделение, идущее
«на повышение температуры. Уменьшение давления приводит
.к снижению температуры.
Изменение расхода свежего синтез-газа. При поступлении
избыточного количества свежего синтез-газа наблюдается рост
давления и соответственно повышение температуры в зоне ка-
тализа. При уменьшении расхода свежего газа снижаются
давление и температурный уровень в реакторе.
Изменение газовой нагрузки на реактор. При снижении га-
зовой нагрузки увеличивается степень конверсии и соответст-
венно повышается температурный уровень в реакторе. Наобо-
рот, увеличение газовой нагрузки снижает температуру в ре-
акторе.
Изменение доли холодного байпасного газа. Уменьшение
^количества холодного байпасного газа приводит к повышению
температурного уровня в зоне катализа, так как при этом воз-
растают температура начала реакции (/Н.Р.) и адиабатический
Я.48
разогрев за счет увеличения количества газа, поступающего на
синтез, по основному ходу. Наоборот, увеличение доли холод-
ного байпаса снижает температурный уровень в реакторе.
Содержание аммиака в газе на входе в реактор. Уменьше-
ние содержания аммиака повышает температурный уровень в
зоне катализа, так как при этом увеличивается степень конвер-
сии, а увеличение содержания аммиака во входящем газе нао-
борот снижает температурный уровень в реакторе.
Изменение соотношения водород : азот в синтез-газе. Любое
отклонение соотношения водород: азот в синтез-газе от опти-
мального (2,5—3,0) при работе системы синтеза с «предель-
ным» выходом аммиака (близким к равновесному) приводит
к снижению скорости процесса и соответственно снижению тем-
пературного уровня в зоне катализа.
Содержание инертных газов в синтез-газе па входе в реак-
тор. Уменьшение содержания инертных газов в синтез-газе
приводит к повышению эффективного давления и соответствен-
но к повышению скорости процесса и степени конверсии, в ре-
зультате чего температурный уровень в реакторе повышается.
При увеличении содержания инертных газов температурный
уровень в реакторе понижается.
Изменение активности - катализатора. Снижение активности
катализатора приводит к уменьшению степени конверсии и со-
ответственно к снижению температурного уровня в реакторе.
Повышение активности катализатора, происходящее после вре-
менного отравления, приводит к повышению температурного
уровня в зоне катализа. Если процесс синтеза ведут при по-
ниженной температуре, скорость реакции и степень конверсии
снижаются. Повышенная температура процесса приводит к со-
кращению срока службы катализатора и быстрому снижению
его активности. Поэтому оптимальной является более низкая
температура устойчивого процесса, даже в случае колебания
давления обеспечивающая заданную производительность по ам-
миаку.
Факторы, изменение которых приводит к изменению содер-
жания аммиака в циркуляционном газе.
Изменение температуры вторичной конденсации (ZnK)
аммиака. Как известно, давление насыщенных паров зависит
от температуры: при повышении температуры давление насы-
щенных паров увеличивается, поэтому при повышении /цк со-
держание аммиака в газе увеличивается. Наоборот, при пони-
жении tiiK концентрация аммиака в газе уменьшается.
Изменение давления в системе. Парциальные давления ком-
понентов газовой смеси прямо пропорциональны общему дав-
лению, поэтому при повышении давления в системе синтеза
парциальное давление аммиака в газе увеличивается, соответ-
ственно при неизменной tnK увеличивается количество сконден-
сировавшегося аммиака, следовательно снижается его содер-
жание в циркуляционном гаЗе. При снижении давления в систе-
149
ме и неизменной /цк содержание аммиака в циркуляционном
газе увеличивается.
Из термодинамических и кинетических положений макси-
мальная производительность реактора должна наблюдаться при
отсутствии аммиака в рециркуляционном газе. Однако концент-
рацию аммиака в газе на входе в реактор необходимо поддер-
живать на уровне, обеспечивающем удовлетворительные тех-
нико-экономические показатели работы всего агрегата синтеза
аммиака, оценивая его эффективность по приведенным затра-
там на стадии компрессии синтез-газа и конденсации аммиака.
Факторы, изменение которых приводит к изменению соотно-
шения водород : азот в циркуляционном газе.
Состав свежего синтез-газа зависит от режима работы си-
стем риформингов и очистки конвертированного газа; измене-
ния расхода свежего синтез-газа, поступающего в систему син-
теза аммиака; изменения расхода продувочных газов.
Как известно, синтез аммиака осуществляют по циркуляци-
онной схеме с одним вводом синтез-газа' в цикл и несколькими
выводами его в виде жидкого продукционного аммиака с рас-
творенными в нем продувочными и танковыми газами.
Поэтому состав циркуляционного газа всегда стремится к
составу свежего синтез-газа, соответственно соотношение водо-
род : азот в циркуляционном газе стремится к их соотношению
в свежем синтез-газе. Скорость выравнивания соотношения за-
висит от геометрической емкости циркуляционной системы, ско-
рости подпитки и вывода реакционной смеси.
Изменение соотношения водород: азот в циркуляционном
газе содействует изменению давления в системе синтеза, темпе-
ратуры в зоне катализа, содержанию аммиака в выходящем
из реактора газе, изменяется также растворимость газа в жид-
ком аммиаке и количество продувочных газов. Соотношение во-
дород : азот в газе, поступающем в реактор синтеза поддержи-
вают оптимальным— (2,54-3,0) : 1.
Главным фактором, регулирующим концентрацию инертных
газов в системе синтеза, является расход продувочных газов,
увеличение которого приводит к снижению концентрации инерт-
ных газов в циркуляционном газе.
Основными компонентами, определяющими содержание
инертных газов в синтез-газе, являются аргон и метан. Аргон
вводится вместе с воздухом на стадии паровоздушной конвер-
сии природного газа, содержание метана определяется суммой
остаточного метана в конвертированном газе после паровоз-
душной конверсии природного газа и метана, образующегося
в результате метанирования оксидов углерода, за вычетом рас-
творенного метана на стадии очистки от СО2.
Обоснование выбора давления процесса
синтеза аммиака
Выбор давления процесса синтеза аммиака диктуется ря-
дом соображений. Термодинамические и кинетические факторы
(равновесное 'содержание аммиака и скорость реакции) свиде-
тельствуют в пользу высоких давлений. Конденсация аммиака
из газовой смеси также облегчается при высоких давлениях.
Однако при этом имеют место значительный расход энергии на
компрессию и повышенные требования к машинам, аппаратам
и арматуре. При пониженных давлениях упрощается аппара-
турное, оформление процесса, снижается расход энергии на ком-
прессию, при этом несколько увеличиваются энергозатраты на
циркуляцию газа и выделение аммиака.
В промышленности синтетического аммиака использовались
системы с рабочими давлениями от 100 до 1000-К)5 Па. При
выборе давления синтеза наряду с технологическими момента-
ми и возможностями химического машиностроения оказывали
влияние патентные, конъюнктурные и технико-экономические
соображения.
Переход к агрегатам большой мощности (600—1500 т/сут.)
с применением турбокомпрессоров снова потребовал решить
вопрос об оптимальном давлении синтеза аммиака. Так, фирмы
«Келлог» и «Хемико» доказывали преимущество низких давле-
ний, 150-105 Па, затем (220-ь240)•105 Па. И хотя низкие дав-
ления представлялись оптимальными на основе технико-эконо-
мических расчетов, есть основания полагать, что основной при-
чйной снижения давления в то время были ограниченные (по
давлению) возможности турбокомпрессоров.
В качестве критерия оптимальности в работе [83] были
приняты приведенные затраты, которые складываются из себе-
стоимости продукта и доли капиталовложений с учетом норма-
тивного коэффициента эффективности
З=с + Е^- (2.66)
где 3 — приведенные затраты, руб/т; С — себестоимость аммиака, руб/т;
К — капитальные затраты на агрегат, руб.; Е — нормативный коэффициент
эффективности, год-1; П-—производительность агрегата по аммиаку, т/год.
Проведенные расчеты показали, что при принятых исходных
данных наиболее экономичным является среднее давление по-
рядка 300-105 Па. Приведенные затраты с понижением давле-
ния увеличиваются, что связано с большими энергоматериаль-
ными и капитальными затратами на стадиях выделения аммиа-
ка из газовой смеси.
В крупнотоннажных агрегатах производства аммиака объ-
емная скорость в колонне синтеза принята равной 18000 ч-1
(по входу).
Известно, что по мере увеличения объемной скорости газо-
вого потока содержание аммиака в выходящем газе уменьша-
151
ется. Однако производительность катализатора увеличивается
с увеличением скорости газа, так как снижение процентного со-
держания аммиака в выходящем газе компенсируется влияни-
ем увеличения количества образующегося аммиака.
Технологическая схема отделения синтеза аммиака
Принципиальная технологическая схема отделения синте-
за унифицированного агрегата аммиака производительностью
1360 т/сут показана .на рис. 2.50.
Свежая азотоводородная смесь, сжатая во П-ой ступени,
центробежного компрессора до давления 320Х105 Па, после
охлаждения в воздушном холодильнике поступает в нижнюю
часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных
Н2О и СО2. Очистку осуществляют -барботажем газа через .слой
сконденсировавшегося жидкого аммиака.
Пройдя слой жидкого аммиака, свежая азотоводородная
смесь насыщается аммиаком до 3—5% и смешивается с цир-
куляционным газом. Смесь свежего и циркуляционного газов,
проходит по трубам теплообменника конденсационной колонны
и направляется в межтрубное пространство выносного тепло-
обменника 4, где нагревается до температуры не выше 195 °C
за счет тепла газа, выходящего из колонны синтеза. Из вынос-
ного теплообменника циркуляционный газ поступает в колонну
синтеза 2, проходя снизу вверх по кольцевой щели между кор-
пусом колонны и кожухом насадки, а затем в межтрубное про-
странство внутреннего теплообменника, размещенного вверху в
&
Циркуляционный га$ Циркуляционный гоз из турбокомпрессора
S турбокомпрессор / Танковые и продувочные
к потребителю газы на сжигание в труб-
/ чп т:т neib
и
Жидкии NH3
№идкш NH3
свежий газ из гпурботпреахра
Жидкий NH3
Природный газ
в горелки
2 ?А
□ ЗБ
Рис. 2.50. Технологическая схема блока синтеза аммиака агрегата мощностью 1360 т/сут?
1 — подогреватель газа; 2 — колонна синтеза аммиака; 3 — подогреватель, воды; 4 — вы-
носной теплообменник; 5 — блок аппаратов воздушного охлаждения; 6 — сепаратор жид-
кого аммиака; 7 —магнитные фильтры; « — конденсационная колонна; 9 (A, J5) — испа-
рители жидкого аммиака; 10 — конденсационная колонна продувочных газов; 11 — испа-
ритель жидкого аммиака на лннин продувочных газов; 12 — испаритель жидкого аммиа-
ка на линии танковых газов; 13— сборник жидкого аммиака; 14 — промежуточная дре-
нажная емкость; 15 — сепаратор.
152
горловине корпуса колонны. В теплообменнике газ нагревается
до 400—440 °C за счет тепла газа, выходящего из катализатор-
ной коробки, последовательно проходит четыре слоя катализа-
тора, на котором осуществляется синтез аммиака. Температур-
ный режим перед каждой полкой поддерживают подачей газа
между полками. Газ отбирают из потока перед колонной с тем-
пературой до 190 °C.
Пройдя четвертый, нижний слой катализатора, азотоводо-
родоаммиачная смесь с содержанием аммиака ~ 15% и темпе-
ратурой 500—515 °C по центральной трубе поднимается вверх,
входит в трубки внутреннего теплообменника, охлаждаясь до
температуры 330 °C, и выходит из колонны синтеза. Далее га-
зовая смесь проходит трубное пространство подогревателя пи-
тательной воды 3, охлаждаясь до температуры 215 °C. После
прохождения трубного пространства выносного теплообменни-
ка 4, она охлаждается входящим циркуляционным газом до
'65 °C. С 65 °C до 40 °C газ охлаждается в аппаратах воздуш-
ного охлаждения 5 (узел первичной конденсации), где из газа
конденсируется часть аммиака. Сконденсировавшийся аммиак
отделяется в сепараторе 15, а газовая смесь, содержащая 10—-
12% NH3, поступает в азотоводородный компрессор, где сжи-
мается еще раз до 320x10s Па.
Циркуляционный газ с температурой 50 °C поступает в си-
стему вторичной конденсации, состоящую из конденсационной
колонны 8 и испарителей жидкого аммиака 9. Газ подается в
конденсационную колонну сверху, проходит межтрубное про-
странство теплообменника, охлаждаясь до 18 °C газом, иду-
щим по трубкам. Далее газ поступает в испаритель жидкого
аммиака, где, проходя по 67-образным трубкам высокого дав-
ления, охлаждается до —5 °C за счет кипения аммиака при
температуре —10 °C в межтрубном пространстве испарителя.
Газообразный аммиак из межтрубного пространства испарите-
ля направляется в холодильную установку для сжижения ам-
миака и возврата в испарители.
Из трубного пространства испарителя смесь охлажденного
циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака по-
ступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где
происходит отделение жидкого аммиака от газа. Здесь же све-
жий газ смешивается с циркуляционным. Далее газовая смесь
проходит корзину, заполненную полуфарфоровыми кольцами,
где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по
трубкам теплообменника конденсационной колонны и направ-
ляется в выносной теплообменник, а затем -— в колонну синте-
за аммиака. Так циркуляционный цикл замыкается.
Жидкий аммиак после первичного сепаратора с температу-
рой 40 °C, пройдя магнитные фильтры 7, очищается от катали-
заторной пыли, дросселируется до давления 20Х105 Па и по-
ступает в сборник жидкого аммиака 13, куда также под давле-
нием 20Х105 Па поступает ам ^ак из конденсационной колон-
153
ны. За счет дросселирования жидкого аммиака с высокого дав-
ления до давления 20ХЮ5 Па происходит выделение раство-
ренных в жидком аммиаке газов Н2, N2, Аг, СН4. Эти газы,,
называемые танковыми, содержат около 16% NH3. Утилизация
аммиака из танковых газов производится путем его конденса-
ции в испарителе 12 на линии танковых газов при температуре
от минус 20 до минус 25 °C.
Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся ам-
миак поступают в сепаратор 15, там жидкий аммиак отделяет-
ся и подается в сборник жидкого аммиака 13. Для поддержа-
ния в циркуляционном газе содержания инертов в пределах
14—18% производят постоянный отбор части газа после пер-
вичной конденсации. Количество продувочных газов зависит
от содержания инертных примесей в свежем газе, давления в
системе синтеза, активности катализатора и колеблется в пре-
делах 3—8 тыс. м3. Аммиак из продувочных газов выделяется
при температуре (—25)ч-(—30) °C в конденсационной колон-
не 10 и испарителе 11. Смесь танковых и продувочных газов
после выделения аммиака, аргона, водорода -и гелия использу-
ют как топливный газ, для чего она направляется на сжигание
в блок риформинга метана.
Основное оборудование
Колонна синтеза аммиака. В колонне синтеза газовая
смесь подогревается до температуры начала реакции и прохо-
дит через слой катализатора при соблюдении необходимого тем-
пературного режима. В колонне можно выделить реакционную
зону (катализаторная коробка) и теплообменную часть.
Учитывая сложное устройство колонны и тяжелые условия
работы (высокие давление и температура, среда содержит во-
дород), конструктивно делят колонну на два самостоятельных
элемента: корпус и детали высокого давления, рассчитанные-
на полное давление процесса, и внутреннюю часть (насадку),
рассчитанную только на перепад давлений газового потока
между входом и выходом из колонны.
При разработке внутренних частей колонн синтеза большое
внимание уделяют обеспечению необходимого температурного
режима в зоне катализа. В случае, если удается вести процесс
в режиме, близком к оптимальному, необходимый объем ка-
тализатора будет минимальным. Оптимальная температура про-
цесса не является постоянной в катализаторной зоне и меняет-
ся по мере изменения состава газовой смеси. В начале процес-
са, когда в газе мало аммиака, выгоднее вести процесс при вы-
соких температурах.
В различных конструкциях вопросы отвода тепла из зоны
катализа решают по-разному: в одних случаях тепло отводят
(тогда через слой катализатора проходят теплоотводящие
трубки), а в других случаях — дискретно, как это осуществля-
154
ется в полочных реакторах, когда температура газовой смеси
снижается скачками после каждого слоя катализатора.
В большинстве крупнотоннажных агрегатов для отвода теп-
ла между слоями катализатора используют холодный байпас-
ный газ в количествах, необходимых для заданного снижения
температур между полками.
При пуске колонны для разогрева и восстановления ката-
лизатора необходим посторонний источник тепла. Для этого
применяют специальные подогреватели.
При загрузке катализатором колонн синтеза необходимо
решить противоречие, связанное с выбором оптимального раз-
мера зерна катализатора. При применении крупнокускового ка-
тализатора синтеза аммиака последний нс может быть полно-
стью использован, так как внутренняя часть зерен катализато-
ра практически не работает. Применение мелкозернистого ката-
лизатора позволяет почти полностью использовать активность
катализатора, однако обусловливает более высокое гидравличе-
ское сопротивление. Чтобы сгладить эти противоречия в круп-
нотоннажных агрегатах проводят дифференцированную загруз-
ку катализатора, изменяя в определенном порядке диаметр его
зерен по высоте колонны.
В зависимости от состава газа, поступающего на колонну •
(содержание инертов и аммиака), и термостойкости катализа-
тора количество полок колеблется от двух до пяти.
В большинстве крупнотоннажных агрегатов производства
аммиака с целью большего приближения температурного режи-
ма к оптимальному, принято четыре полки. Если рассматри-
вать катализаторную полку как элемент*, усложняющий кон-
струкцию реактора, то четырехполочные реакторы менее на-
дежны, чем трехполочные, в то время как гибкость регулирова-
ния температурного режима в них выше, чем в трехполочных.
Поэтому для обеспечения устойчивого режима работы и за-
данной производительности трехполочных реакторов, особенно
в конце цикла, общий объем загрузки катализатора в них пре-
вышает объем загрузки четырехполочных реакторов на 25—
30%. Исключение составляют отечественные четырехполочные
реакторы, рассчитанные на установки мощностью 1500 т
МНз/сут.
Суммарная доля холодных байпасов в полочных реакторах
в процессе эксплуатации составляет от 30 до 20% от общей
газовой нагрузки на реактор, причем к концу цикла она сни-
жается с 30 до 23—20%), а «горячая точка» перемещается на
нижележащие полки.
По температуре начала реакции, распределению доли холод-
ных байпасов по полкам и расположению «горячей точки»
можно оценить состояние катализатора и прогнозировать конец
цикла.
Помимо основного назначения — промежуточного охлажде-
ния реакционной газовой смеси —- холодные байпасы между
155
|/03
Рис. 2.51. Четырехполочная колонна синтеза аммиака аг-
регата мощностью 1360 т/сут:
1 — люк для выгрузки катализатора; 2 — центральная
труба; 3 — корпус катализаторной коробки; 4 — корпус
колонны; 5 — загрузочный люк; 6—теплообменник; 7.
9,-11, /3 —ввод байпасного газа; 8, 10, 12, 14 — катали-
затор.
полками влекут за собой и ряд отрица-
тельных явлений; разбавление газовой
смеси, внесение на катализатор ядов, а
также отсутствие контакта всей газовой
смеси со всей массой катализатора. По-
следнее обусловливает более низкую
производительность полочных реакторов
с холодными байпасами в сравнении с
полочными со встроенными теплообмен-
никами между полками и трубчатыми
реакторами при одинаковом объеме за-
грузки катализаторов.
Поэтому содержание инертных газов;
в циркуляционном газе также зависит
как от состава свежего синтез-газа, так
и от его расхода.
Однако данные факторы не позволя-
ют регулировать содержание инертных
газов в циркуляционном газе, так как
технологический режим предусматрива-
ет возможно более полную конверсию
природного газа и оксида углерода, оп-
тимальное соотношение водород: азот и
расход свежего синтез-газа, обеспечива-
ющий заданную производительность по
аммиаку.
Таким образом, с целью экономии водорода процесс необхо-
димо вести при максимально возможном содержании инертных
газов в циркуляционном газе, обеспечивая при этом заданную
производительность по аммиаку.
На рис. 2.51 показан общий вид четырехполочной колонны
синтеза аммиака, а на рис. 2.52 приведен ее температурный
режим.
Пусковой подогреватель с огневым обогревом. Пусковой
подогреватель служит для подогрева азотоводородной смеси в
период пуска и восстановления катализатора в колонне синте-
за, а также нагрева газа при нарушениях автотер минного ре-
жима в колонне синтеза.
Азотоводородная смесь нагревается за счет тепла, выделяе-
мого при сгорании природного газа в горелках. Так как подо-
греватель соединен с колонной синтеза горячим трубопроводом,
на котором отсутствует отключающая арматура, то подогрева-
тель находится в течение всего периода работы колонны син-
теза под давлением.
156
Пусковой подогреватель представляет собой вертикальный
аппарат, состоящий из корпуса низкого давления и змеевиков
высокого давления. Внутренний диаметр аппарата 3530 мм,
диаметр труб змеевика 102X16 мм, поверхность теплообмена
змеевиков 134 м2. Аппарат футерован огнеупорным материа-
лом. Материал змеевиков принят из нержавеющей стали.
Подогреватель воды (рис. 2.53). Подогреватель воды пред-
назначен для подогрева питательной воды от 102 до 280—
290 °C за счет тепла реакции синтеза аммиака. Конвертирован-
ный газ охлаждается в подогревателе воды от 320—340 °C до
200—215 °C. Средняя тепловая нагрузка на аппарат составляет
14-107 кДж/ч.
В подогревателе воды трубные доски жестко связаны с кор-
пусом, а прямые теплообменные трубки имеют участок, позво-
ляющий компенсировать разность температурных удлинений
корпуса и трубок. Гнутый участок составляет 8—15% от общей
высоты теплообменника. На прямых участках труб устанавли-
вают перегородки, увеличивающие эффективность теплопереда-
чи. На компенсирующих участках установка перегородок не
требуется, так как на этих участках обеспечивается необходи-
мая скорость потока. В центре устанавливают сердечник из
труб с креплением его к одной трубной доске.
Такая конструкция обеспечивает надежную работу теплооб-
менника в части герметичности заделки труб при разности тем-
ператур трубок и корпуса до 100 °C. Допускается тепловое уд-
линение каждой трубки, возникающее из-за возможного нерав-
номерного распределения потока по трубам.
Аппарат вертикальный. Внутренний диаметр корпуса
1600 мм. Трубки имеют диаметр 22x3,5 мм, количество их со-
ставляет 1722 шт. Поверхность теплообмена согласно расчету-
925 м2 (по среднему диаметру труб).
Охлаждаемый газ проходит по трубкам сверху вниз, нагре--
ваемая вода — по межтрубному пространству противотоком:'
газу.
15^
Тис. 2.53. Подогреватель воды.
Рис. 2.54. Выносной теплообменник.
Выносной теплообменник (рис. 2.54). Для предварительного
подогрева газа, поступающего в колонну синтеза аммиака, ус-
тановлен выносной теплообменник.
Аппарат, вертикальный, состоит из корпуса высокого давле-
ния и насадки. Внутренний диаметр корпуса — 1600 мм, высота
корпуса— 17 820 мм. Насадка представляет собой теплообмен-
ник кожухотрубчатого типа из трубок диаметром 12X1,5 мм в
количестве 7112 шт. Поверхность теплообмена (по среднему
диаметру) — 3200 м2.
Блок аппаратов воздушного охлаждения. Для охлаждения
азотоводородной смеси, выходящей из выносного теплообмен-
ника, и конденсации аммиака установлен блок аппаратов воз-
душного охлаждения. Блок состоит из шести аппаратов воз-
душного охлаждения, а каждый аппарат — из трех секций. Воз-
358
дух нагнетается двумя осевыми вентиляторами, установленны-
ми под каждым аппаратом. Тип аппарата — горизонтальный.
Газовая смесь охлаждается от 65—70 до 40 °C. Тепловая на-
грузка на блок аппаратов воздушного охлаждения составляет
55,7-106 кДж/ч. Поскольку общий коэффициент теплопередачи
ограничивается коэффициентом теплопередачи от воздуха к
стенке, уменьшены скорости газовой смеси в трубках.
Диаметр труб 25X4,5 мм, длина 8000 мм, диаметр ребер
49 мм. Общая поверхность теплообмена по оребренным труб-
кам составляет 2550-6=15 300 м2. Коэффициент оребрения 9,0.
Сепаратор жидкого аммиака (рис. 2.55). Сепаратор жидкого
аммиака предназначен для сепарации аммиака, сконденсиро-
вавшегося в блоке аппаратов воздушного охлаждения.
Установлен аппарат на входе газа в циркуляционное колесо,
размещенное на одном валу с компрессором азотоводородной
смеси. Число оборотов компрессора (11 000 мин *) определяет
необходимость тщательной сепарации газа от жидкого аммиака.
Аппарат горизонтального типа имеет большую поверхность
сепарации, окончательная очистка от капель жидкого аммиака
осуществляется в сепарирующих пакетах из металлических се-
ток.
Внутренний диаметр сепаратора 2400 мм, длина корпуса
7975 мм.
В сепарационную часть аппарата по трубке диаметром:
480X12 мм с отверстиями подается газ. За счет изменения ско-
рости происходит отделение жидкого аммиака от газообразно-
го. Запас времени на полное опорожнение 4 мин, а на перепол-
нение (от среднего уровня до максимального) ~ 3 мин.
Циркуляционный компрессор. Циркуляция газовой смеси в
агрегате синтеза осуществляется с помощью специального ком-
прессионного колеса, размещенного в последнем корпусе ком-
прессора азотоводородной смеси. Давление на входе 290- 10s Па..
Газ
Рис. 2.55, Сепаратор жидкого аммиака.
15»
Газ!
Газ ДГ
Рис. 2.56. Конденсационная колонна:
1 — теплообменник; 2 — корпус колонны; 3 — каплеотбой-
ник; 4 — центральная труба; 5 — уровень Жидкого аммиа-
ку / — газ из воздушного холодильника; II— газ из ис-
парителя; III—газ в теплообменник; IV— газ в испа-
ритель.
давление нагнетания 320-105 Па. Тем-
пература на входе 40 °C. Количество га-
за на входе 2888,3 м3/ч или 329142 кг/ч.
При коэффициенте сжимаемости К=
= 1,379 реальный объем газа составит
610 000 м3/ч.
Конденсационная колонна (рис. 2.56).
Конденсационная колонна предназначе-
на для рекуперации холода, приносимо-
го циркуляционным газом из аммиачно-
го испарителя, и сепарации аммиака,
сконденсировавшегося в аппаратах вто-
ричной конденсации.
Конденсационная колонна состоит из
корпуса высокого давления и насадки.
Насадка включает теплообменник, рас-
положенный в верхней части, и сепара-
тор, состоящий из корзины с полуфар-
форовыми кольцами Рашига и свободно-
го сепарационного объема.
Внутренний диаметр колонны
2000 мм. Высота корпуса 16,550 м. Об-
щая высота аппарата 19,95 м.
Теплообменник кожухотрубчатый состоит из труб диамет-
ром 14x2 мм, имеет поверхность 2120 м2.
В сепарационную часть конденсационной колонны осущест-
влен подвод свежего газа в слой жидкого аммиака для удале-
ния следов углекислоты и влаги. Средняя скорость газа в сво-
бодном сечении сепарационной части равна ~0,3 м/с. Запас
времени на полное опорожнение ~7 мин и на переполнение
(от среднего уровня до максимального) ~1,5 мин.
Испаритель жидкого аммиака (рис. 2.57). Испаритель пред-
назначен для охлаждения циркуляционного газа и конденсации
аммиака. Газовая смесь, поступающая в трубное пространство
при 20—25 °C охлаждается до —5°С-=- +6 °C. Аппарат горизон-
тальный с {/-образными трубками. Внутри аппарата располо-
жено сепарирующее устройство в виде сетчатых элементов. В ус-
тановке применяют испаритель, рассчитанный на тепловую на-
грузку 4,8-107 кДж/ч.
Внутренний диаметр аппарата 3200 мм, общая длина
~ 13 814 мм, поверхность теплообмена (по среднему диаметру)
~990 .м2.
И60
Некоторые вопросы эксплуатации
агрегата синтеза
Загрузка катализатора. Для загрузки в колонну синтеза
используют катализатор двух марок: СА-1В и СА-1. Ниже при-
веден пример распределения катализатора по полкам:
( полка
II
III
IV
СА-1В, гранулированный, диаметр зерна —
о—7 мм
СА-1 гранулированный, диаметр зерна — 5—
7 мм- СА-1, гранулированный, диаметр зерна — 7—
10 мм СА-1, гранулированный, диаметр зерна 7—
10 мм емах) и дробленый—10—15 мм (в равных объ-
Для предотвращения забивания решеток катализатор пой
пылью на нижнюю часть I, II, III полок засыпают по 0,4 м3
дробленого катализатора размером 10—15 мм. Загрузка вос-
становленного катализатора на 1-ую полку позволяет сокра-
тить продолжительность восстановления и уменьшить количе-
ство образовавшейся во время восстановления аммиачной
воды.
Вскрывать барабаны с катализаторами следует непосредст-
венно перед загрузкой. До загрузки необходимо произвести от-
сев пыли.
Загрузку восстановленного катализатора производят с уче-
том его физико-химических особенностей. Восстановленный ка-
тализатор покрыт оксидной пленкой, поэтому необходимо со-
блюдать осторожность при его транспортировании, хранении и
загрузке, так как нарушение оксидной пленки обусловит разе-
Рис. 2.57. Испаритель жидкого аммиака:
1 — перегородка; 2 — корпус высокого давления; 3 — трубная решетка; 4 — корпус жидко-
го давления; 5 — каплеотбойник; 6 — теплообменник; 7 — максимальный уровень жидкого
а мм а; I — газ в конденсационную колонну; II — газ из конденсационной колонны.
11—831
161
грев катализатора, вызванный окислением его высокоразвитой
поверхности.
Кроме того, нужно учесть, что при хранении катализатора
на воздухе происходит постепенное более глубокое окисление
его поверхности: в течение месяца катализатор поглощает около,
2% кислорода от массы взятого образца. После вскрытия ба-
рабана поэтому не исключена возможность некоторого разогре-
ва катализатора, поскольку при длительном хранении в герме-
тичной упаковке может произойти нарушение пассивационной
пленки.
В целях безопасности загрузку восстановленного катализа-
тора необходимо проводить в шланговых противогазах. В про-
цессе загрузки следует обратить внимание на внутренние части
колонны: особенно нельзя подвергать нагрузке карманы термо-
пар, трубы байпасов. При загрузке по мере возможности сле-
дует равномерно засыпать катализатор и не подвергать насад-
ку эксцентричной нагрузке, следить за тем, чтобы катализатор
не попал в пространство между корпусом и насадкой. Ни в
коем случае не допускать падения катализатора с высоты бо-
лее 60 см.
Восстановление катализатора. Восстановление катализато-
ра для синтеза аммиака протекает по реакции:
FesO4 + 4Ht <=>= 3Fe + 4Н2О — Q (2.67)
При этом на тонну окисленного катализатора СА-1 выде-
ляется около 250—280 кг воды.
Частично восстановленный катализатор в процессе дальней-
шего восстановления подвергается воздействию паров воды, со-
держащихся в проходящем газе, что приводит к снижению ак-
тивности катализатора в рабочем состоянии. Поэтому в процес-
се восстановления должен быть установлен строгий контроль
за содержанием водяного пара в отходящем из колонны газе,,
чтобы концентрация воды была не более 0,3% (об.) пли 2,5 л
на 1000 м3 проходящего через катализатор газа. Ниже при-
веден примерный график восстановления катализатора синтеза
аммиака при загрузке на I-ю полку предварительно восстанов-
ленного катализатора типа СА-1В (см. табл. 2.24).
Особенности пуска агрегата в зимний период. Перед нача-
лом пуска агрегата необходимо принять пусковой пар из сети
и включить систему обогрева аппаратов насосов и трубопрово-
дов паровыми спутниками.
Проверить обогрев всех шкафов КИП и шкафов для указа-
телей и регуляторов уровней, установленных на аппаратах.
При первоначальном пуске и пуске после длительных оста-
новок агрегата синтеза аммиака (когда температура корпусов,
аппаратов снижена до температуры окружающего воздуха) не-
обходим предварительный разогрев корпусов холодных аппара-
тов агрегата (рабочая температура до +50 °C) до рабочей тем-
пературы, а корпусов горячих аппаратов (рабочая температу-
162
Таблица 2.24. Примерный график восстановления катализатора
синтеза аммиака при загрузке на 1-ю полку
восстановленного катализатора типа СА-1 В
Операция Продолжи- тельность опе- рации, ч Время от нача- ла восстанов- ления, ч Р 103 Па О) s а Щ - Р ф О ► ф Количество выделяющейся воды, т Выработка ам- мика, т/ч Концентрация аммиачной во- ды, % (масс.)
Разогрев до температуры 300 °C по 20 °C в час 14 14 100 — — — —
Выдержка при 300 °C 4 18 100 0,5 о,1 — —
Подъем температуры до 400 °C (15 °C ч) 7 25 100 0,5 0,2 — —
Выдержка при 400 °C и подъем давления до 150-105 Па, перевод на циркуляцию 5 30 100 0,5 0,2
Подъем температуры на 1-й полке до 450 °C (10°С/ч) и выдержка иа II, III и IV-oft полках тем- ператур не выше 400 °C 10 40 150 0,3 0,5 0,2 60—70
Подъем температуры на I-ой полке до 500 °C (5°С/ч) 10 50 150 0,3 1,0 0,5 70—80
Подъем температуры на П-ой полке до 450 °C и на Ш-ей полке до 425 °C по (50°С/ч) и выдержка при этой температуре 14 64 150 0,3 5 5 70—80
Подъем температуры на П-ой полке до 500 °C, на Ill-ей полке до 475 °C и на IV-й полке до 450 °C (5 °С/ч) и выдержка при этой температуре 14 78 150 0,3 9 10 75—85
Подъем температуры на П1-ей и IV-ой полках до 500 °C (5°С/ч) 10 88 150 •0,2 6 15 85—90
Повышение давления до ра- бочего 8 96 250ч- 270 0,1 — _— >90
ра выше 50 °C) до температуры 4-50 °C. После разогрева дав-
ление в системе можно поднимать до рабочего. При этом на-
чальное давление в системе до прогрева не должно превышать
10-106 Па.
Для предварительного прогрева системы синтеза аммиака
азот (99,97%) из сети с давлением (4—6)-105 Па подают в
теплообменник, где он нагревается паром, а затем направляет-
ся в агрегат синтеза в трубопровод свежего газа. Для цирку-
ляции азота используют специальную азотодувку.
Пуск в зимнее время должен осуществляться в соответствии
с графиком (рис. 2.58).
11*
163
Рис. 2.58. График пуска колонны синтеза ам-
миака в зимнее время.
Скорость подъема или сниже-
ния температуры рекомендуется
не более 30°С/ч. Давления Pi и
Р2 следует достигать постепенно
по 0,25 Pi (или Р2) в течение
1 ч с 15-ти минутными выдерж-
ками давлений на ступенях 0,25
Pi (Р2); 0,5 Pi (Р2) и 0,75 Р! (Р2).
Хранение и транспортирование жидкого аммиака
по трубопроводам
Для хранения жидкого аммиака в крупнотоннажных агре-
гатах производства аммиака используют вертикальные резер-
вуары с теплоизоляцией, температура жидкого аммиака —
минус 33,3 °C, давление, близкое к атмосферному, поддержива-
ется за счет отвода испаряющегося аммиака.
Склады для хранения жидкого аммиака предназначены:
1. Для устранения жестких связей между производством
аммиака и его переработкой.
2. Для создания (оперативных) текущих запасов жидкого
аммиака с целью обеспечения возможности продолжения рабо-
ты в течение некоторого времени при остановке одного из про-
изводств аммиака.
3. Для создания страховочных свободных емкостей на про-
изводствах, выпускающих товарный жидкий аммиак, и запасов
его на производствах, использующих аммиак в качестве сырья,
чтобы обеспечить возможность работы в случаях нарушения
графиков отправок и поставок аммиака транспортом.
Суммарная емкость резервуаров не должна превышать
10-суточного производства или потребления [85]. Емкость изо-
термического резервуара, устанавливаемого в крупнотоннаж-
ных агрегатах производства аммиака, составляет 10 000 т.
Процесс хранения аммиака в изотермическом резервуаре
Изотермический склад (рис. 2.59) рассчитан на поступле-
ние как холодного, так и теплого аммиака. Холодный аммиак
подается в изотермический резервуар 17 снизу, теплый охлаж-
дается путем последовательного дросселирования в паровое
пространство резервуара 17 через ресиверы 1, 2 и 3. В ресиве-
ре 3 аммиак охлаждается до температуры минус 33,4 °C, со-
ответствующей необходимому давлению для поступления в изо-
термический резервуар 17, которое поддерживается с помощью
трехступенчатого компрессора 24. Если компрессор поршневой,
то перед холодильниками устанавливают маслоотделители. Га-
зообразный аммиак из верхней части резервуара 17 через се-
164
паратор 4 поступает в первую ступень компрессора 24. Затем
через холодильник 20 поступает в ресивер 3, в котором сме-
шивается с газообразным аммиаком, образующимся при дрос-
селировании жидкого аммиака. После ресивера 3 аммиак сжи-
мается во второй ступени компрессора, охлаждается в холо-
дильнике 21 и поступает в ресивер 2, где смешивается с газо-
образным аммиаком, образующимся при дросселировании жид-
кого аммиака из ресиверов 1 и 23. Из ресивера 2 аммиак
направляется в третью ступень компрессора, после которой кон-
денсируется в холодильнике 22 и стекает в ресивер 23.
Для регулирования режима работы компрессорной установ-
ки предусмотрены байпасы в каждой ступени компрессора и
впрыск жидкого аммиака в сепаратор 4. Отделившийся в се-
параторе 4 жидкий аммиак периодически сливается в сбор-
ник 19, из которого насосом 18 откачивается в резервуар 17.
В сепараторе 4, обогреваемом теплоносителем, проходящим по
змеевику, жидкий аммиак может испаряться.
В режиме хранения и при приеме холодного аммиака вклю-
чается компрессорно-конденсационная установка меньшей мощ-
ности. Газообразный аммиак из резервуара через сепаратор 5
поступает в первую ступень двухступенчатого компрессора 11
и через маслоотделитель 6 в промежуточный сосуд 7, в котором
охлаждается вспрыскиваемым жидким аммиаком из ресиве-
ра 10. После этого аммиак сжимается во второй ступени ком-
прессора и проходит через маслоотделитель 8 в холодильник 9,
где конденсируется, а затем стекает в ресивер 10, из которого
поступает в змеевики промежуточного сосуда 7 на переохлаж-
дение жидким аммиаком, находящимся в сосуде. Небольшая
Одно- двухсменный резервуар
Рис. 2.59. Принципиальная схема изотермического склада для хранения жидкого аммиа-
ка при атмосферном давлении:
а — изоляция; б — разбрызгиватель жидкого аммиака; в — распределительный коллектор
азота; г — фундамент; 1, 2, 3, 10, 23 — ресиверы; 4, 5 — сепараторы; 6,8 — маслоотдели-
тели; / — промежуточный сосуд; 9, 22 — теплообменники; 11, 24 — компрессоры; 12, 19 —
сборники жидкого аммиака; 13 — факел; 14 — газгольдер азота; 15, 18— насосы; 16—
фильтры; 17 — изотермический резервуар; 20, 21 — холодильники-конденсаторы.
165
его часть отводится для впрыска в этот же промежуточный
сосуд. Из змеевиков жидкий аммиак дросселируется в резер-
вуар, а из сепаратора 5 стекает в сборник 12, из которого пе-
риодически передавливается газообразным аммиаком в реси-
вер 10. При остановке компрессора 11 возможно превышение
рабочего давления в резервуаре. Для предотвращения этого
пускают резервный, аварийный компрессор (на схеме не пока-
зан), который имеет привод от дизеля или от электродвигате-
ля, подключенного ко второму независимому источнику элек-
троэнергии.
Выдачу жидкого аммиака из резервуара 17 производят на-
сосом 15 через два поочередно работающих фильтра 16. За на-
сосом имеется отвод в резервуар 17 для циркуляции жидкого
аммиака во время охлаждения и выравнивания температуры
хранения аммиака. Для предотвращения деформации резер-
вуара он оснащен импульсными предохранительными клапана-
ми и вакуумным (дыхательным) .клапаном. Жидкий аммиак
от предохранительных клапанов оборудования и трубопроводов
сбрасывают в резервуар, а газообразный —на сжигание на фа-
келе 13, горелки которого работают на природном или испа-
ряемом сжиженном газе (пропане).
Объемный коэффициент заполнения вертикального резер-
вуара не должен быть больше 0,93 [85].
Управление складом жидкого аммиака осуществляется из
центрального пункта управления, расположенного в непосред-
ственной близости от хранилищ. Средства управления сосредо-
точены на щите управления. На мнемосхеме склада установле-
ны сигнальные лампы аварийной и предупредительной сигна-
лизации. Контролем и автоматическим регулированием
оснащены все основные аппараты, компрессоры и насосы.
Уровень жидкого аммиака в изотермических хранилищах и
количество жидкого аммиака, выдаваемого со склада, контро-
лируют приборами с повышенным классом точности.
Склад располагают с подветренной стороны преобладающих
ветров по отношению к населенному пункту с наибольшим ко-
личеством людей с учетом ситуационного плана района и есте-
ственных условий территории.
На территории склада размещают только те здания и соору-
жения, которые необходимы для технологических процессов
приема, хранения и выдачи жидкого аммиака потребителям и
для обеспечения нормальной работы склада.
Изотермический резервуар, как правило, ограждают либо
самостоятельными земляными валами, либо железобетонными
стенами. Расстояние по горизонтали от наружной стенки резер-
вуара до ограждения — нижней грани внутреннего откоса зем-
ляного вала — составляет обычно не меньше 0,8 высоты рас-
четного уровня жидкого аммиака в резервуаре, считая от пла-
нировочной отметки земли [85]. Высота вала принимается рав-
ной не ниже 2,7 м, диаметр — не менее 84 м и по внутренней
166
нижней грани вала, при этом расчетный уровень жидкого ам-
миака в случае вытекания его в ограждение должен быть не
меньше, чем на 0,3 м ниже высоты ограждения.
Земляные валы, стены, ограждающие резервуары хранения
жидкого аммиака, устойчивы против разрушения выливаю-
щимся аммиаком и рассчитаны на гидростатическое давление
разлившегося аммиака.
Территория для резервуаров храпения жидкого аммиака вы-
полняется ровной или с уклоном 0,3—1,5% в зависимости от
типа используемого покрытия.
Территория в ограждении резервуаров не должна покры-
ваться щебенкой, галькой и др. пористыми материалами.
Основное технологическое оборудование
Изотермический резервуар. Резервуар — вертикальный
цилиндрический аппарат с плоским днищем и выпуклой купо-
лообразной крышей. Ниже приведены его основные технико-
экономические показатели [86]:
Диаметр резервуара, м
внутреннего......................................30,3
наружного...................................... 31,9
Высота цилиндрической части, м
внутренней.......................................19,8
наружной........................................21,3
Геометрический объем, м3..........................17,1
Объемный коэффициент заполнения внутреннего резер-
вуара ............................................. 0 905
Расход металла на м3 максимального объема залива, кг 39,4
Используемый резервуар (рис. 2.60) имеет двухстенную кон-
струкцию, расстояния между стенками составляет 800, крыша-
ми — 600, днищами 450 мм.
К резервуару предъявляются повышенные требования по ка-
честву сварных швов: все вертикальные швы внутренней обо-
лочки проверяют с помо-
щью рентгена, а все го-
ризонтальные швы внут-
ренней оболочки с по-
мощью ультразвука.
Фундамент под резер-
вуар представляет собой
железобетонную монолит-
ную плиту диаметром
32,5 м и толщиной 600 мм,
Рис. 2.60. Изотермический резерву-
пр для хранения жидкого аммиака:
/ — внутренний резервуар; 2 — на-
ружный резервуар; 3 — тепловая
II ЮЛЯЦИЯ.
167
опирающуюся на железобетонные сваи на высоте 1,95 м от по-
верхности земли. В качестве теплоизоляционного материала
применяют пеностекло.
Межстенное пространство двухстенного резервуара нахо-
дится в атмосфере азота под постоянным давлением 100—
200 Па для предотвращения засасывания в него влажного ок-
ружающего воздуха в случае изменения барометрического дав-
ления или температуры окружающего воздуха. Применяемый
азот должен быть сухим и иметь температуру точки росы ниже
температуры емкости (точка росы —40°C), не иметь примесей,
которые конденсируются при самых низких температурах ем-
кости; иметь надежный и достаточный источник снабжения.
Для поддержания давления в межтрубном пространстве ис-
пользуют газгольдер постоянного давления, соединенный с ре-
зервуаром по схеме «на тупик».
На некоторых агрегатах установлены резервуары одностен-
ной конструкции.
Транспортирование жидкого аммиака по трубопроводам
Трубопроводы для транспортирования жидких промыш-
ленных сред и сжиженных газов, построенные в соответствии
с современными научно-техническими требованиями, не имеют
себе равных в вопросах безопасной доставки больших коли-
честв жидкого материала на дальние расстояния. Они не вызы-
вают напряженных условий работы на железнодорожном транс-
порте, не создают шумов и при правильной эксплуатации не
загрязняют атмосферу вредными испарениями. Это положение
в полной мере относится и к трубопроводам, предназначенным
для транспортирования сжиженного аммиака.
Жидкий аммиак в СССР стал массовым продуктом, который
транспортируется как внутри страны, так и на экспорт. Объем
и дальность перевозок жидкого аммиака увеличиваются из года
в год, что создает дополнительную напряженность в работе же-
лезных дорог.
Однако, поскольку аммиак при повышении давления (выше
атмосферного) превращается в жидкость, возможно его транс-
портирование по трубопроводам.
Строительство и использование аммиакрпроводных систем
значительно упростили передачу аммиака на большие расстоя-
ния. Для аммиакопроводов существуют более жесткие требо-
вания к применяемым материалам, правилам производства
строительно-монтажных работ, технологии эксплуатации систем,
а также к способам хранения и выдачи продукта потребите-
лям.
В настоящее время самую крупную и современную систему
магистральных аммиакопроводов имеют США, где строитель-
ство их началось более 10 лет назад [87]. Общая протяжен-
ий
ность аммиакопроводов в США превышает 10 тыс. км., а наи-
больший диаметр трубопроводов аммиака равен 250 мм.
Первый полностью автоматизированный аммиакопровод
«Мид Америка» был пущен в эксплуатацию в 1969 г. Система
аммиакопровода «Мид Америка» эксплуатируется фирмой
«Мапко». Общая протяженность этого аммиакопровода со все-
ми ответвлениями составляет 1400 км. Участки трубопровода
сооружены из труб диаметром 152 и 203 мм. Его пропускная
способность в настоящее время составляет 3—3,5 тыс. т в
сутки.
Аммиакопровод «Галф Сентрал» протяженностью около
3,2 тыс. км является в данное время самым крупным сооруже-
нием такого типа в мире. Трубопроводная система рассчитана
на транспортирование свыше 3 млн. т аммиака в год. Диаметр
основного магистрального трубопровода (длина 880 км) 254 мм.
Аммиакопроводная система обслуживается тридцатью насос-
ными станциями, управляемыми с пульта централизованной си-
стемы управления.
В СССР запроектирован и построен первый в нашей стране
аммиакопровод Тольятти — Горловка — Одесса. Транспорти-
рование жидкого аммиака по нему осуществляется из Тольят-
ти и Горловки в Одесский порт на Григорьевском лимане [88].
В проектировании аммиакопровода участвовали институты
ГИАП, Гипротрубопровод, Гипросвязь-3 и другие специализи-
рованные проектные организации, а также фирмы «Оксидентл
Петролеум Корпорейшн» (США) и «Антрепоз» (Франция), с
которыми был заключен контракт на поставку части оборудо-
вания и материалов для аммиакопроводов.
Аммиакопровод имеет следующие основные параметры:
диаметр трубопровода основной магистрали —350 мм, диаметр
ответвления от основного трубопровода до Горловки — 250 мм;
длина трубопровода от Тольятти до Григорьевского лимана
2200 км и 214 км ответвление на Горловку; рабочее давление
в основном в трубопроводе составляет 83-1О5 Па; число пере-
качивающих насосных станций — 14 (две — головные, в Толь-
ятти и Горловке, и 12 промежуточных).
Трасса аммиакопровода выбрана с учетом удаления аммиа-
копровода от крупных городов, транспортных и промышленных
узлов на расстоянии больше нормированных минимальных рас-
стояний и обхода заповедных и заказных территорий, место-
рождений полезных ископаемых и районов с неблагоприятными
инженерно-геологическими условиями (подрабатываемые тер-
ритории, оползни и карсты), а также ирригационных и мелио-
ративных систем.
Для предотвращения вскипания жидкого аммиака в трубо-
проводе и обеспечения нормальной работы трубопровода и на-
сосов, перекачивающих аммиак, минимальное давление в самой
высокой точке предусмотрено на 5-105 Па больше давления
169
пара аммиака при температуре транспортируемого жидкого
аммиака.
Насосные станции собраны из готовых боксов-модулей, в
которых смонтировано все оборудование. На площадке насос-
ной станции монтируется три бокса: один электротехнический
и два насосных, каждый насосный бокс имеет по одному насосу
с асинхронным электродвигателем, причем один из насосов —-
резервный. При отключении насоса второй включается авто-
матически.
Подача каждого насоса на основной магистрали — 570 м3/ч,
мощность электродвигателя— 1500 кВт. Подача насоса на от-
ветвлении— 196 м3/ч, мощность электродвигателя на ответвле-
нии — 450 кВт.
Для предотвращения возможных причин повреждений ам-
миакопровода предусматриваются специальные требования, в
соответствии с которыми запроектирован аммиакопровод:
трубы изготовлены из вязкой стали. Предусмотрен полный
контроль всех швов сварных труб на строительстве. Толщину
стенок рассчитывали с учетом явлений гидравлического удара.
Для предотвращения случайных повреждений трубопровода он
проложен под землей на глубине до верха трубы не мень-
ше 1,4 м.
На подводных и надводных переходах трубопровода через
реки, каналы, водохранилища и лиманы предусмотрены специ-
альные мероприятия по повышению надежности трубопровода
для практически полного исключения возможности попадания
аммиака в воду. К таким мероприятиям относятся: увеличение
толщины стенки трубопровода в 1,5 раза; установка отключаю-
щей арматуры с местным, дистанционным и автоматическим
управлением; прокладка трубопровода в герметичных дюкерах
из стальных труб.
Через железные и автомобильные дороги, а также в местах
пересечений трубопровода с водяными коммуникациями и кабе-
лями, трубопроводы прокладывали в стальных защитных тру-
бах-кожухах. На пересечениях трубопровода с другими трубо-
проводами над н'йм укладывали железобетонные плиты. Для
уменьшения количества аммиака, вытекающего из трубопрово-
да при нарушении его герметичности, предусмотрено разделе-
ние трубопровода запорной арматурой на секции.
При падении давления в секции в случае утечки из нее жид-
кого аммиака в количестве не менее 1 % от нормального расхо-
да секция должна автоматически отключаться, что вызывает
прекращение транспортирования аммиака по всему аммиако-
проводу.
Защитные устройства насосных станций устроены таким об-
разом, что станция в случае аварийной остановки может быть
включена лишь после устранения причин, вызвавших эту оста-
новку.
170
Для защиты трубопровода от почвенной коррозии его изо-
лировали полимерной липкой лентой толщиной 0,2—0,3 мм с
последующей оберткой трубопровода защитной полимерной
лентой, через каждые 20—30 км устанавливали станции катод-
ной защиты от электрохимической коррозии.
Для эксплуатации аммиакопровода предусмотрены ремонт-
ные и аварийно-восстановительные службы и службы патрули-
рования трассы аммиакопровода.
Автоматическое управление аммиакопроводом осуществляет-
ся из центрального пункта управления с применением совре-
менных средств контроля и регулирования, телемеханики и
ЭВМ.
Аммиакопровод имеет самостоятельную систему телефонной
и радиосвязи. Вдоль трассы аммиакопровода создана защитная
зона, ширина которой рассчитывается по наиболее вероятной
опасной утечке аммиака. В результате концентрация аммиака
в воздухе на границе защитной зоны может переноситься че-
ловеком без последствий при пребывании в ней в течение часа,
т. е. времени, достаточного для защиты от поражения и помо-
щи пострадавшим [89].
По трассе аммиакопровода установлены раздаточные стан-
ции для возможности использования аммиака в сельском хо-
зяйстве.
Глава 3
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
СОВРЕМЕННОГО АГРЕГАТА
ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА
Принципиальная схема
энергетического обеспечения
Одним из наиболее важных достижений современной
химической технологии является производство многотоннажных
продуктов, и в частности аммиака, по энерготехнологическому
принципу. В отличие от чисто технологических схем, которые
господствовали в химической технологии вплоть до 1965 г., но-
вый подход предусматривает практически полную рекуперацию
тепла химических реакций, составляющих производство аммиа-
ка. Современный энерготехнологический агрегат аммиака прак-
тически всю энергию, необходимую в процессе производства,
генерирует внутри технологической схемы, используя тепло эк-
171
3t5*105no
27 Th 25Q°C
Рис. 3.1. Упрощенная схема энергетического обеспечения современного агрегата произ-
водства аммиака:
1 — предварительная очистка исходной воды; 2 —• иопитная очистка; 3 — теплообменники;
4 —деаэратор, 5 — насос высокого давления; 6 — нагреватель воды; 7 — теплообменник
после метанатора; 8—теплообменник после колонны синтеза; 9—паросборник; 10— ог-
невой вспомо!ательный котел; 11 — котлы-утилизаторы I-й ступени; 12— котел-утилизатор
П-й ступени; 13— котел-утилизатор после конверсии оксида углерода; 14 — пароперегре-
ватель; 15 — турбина компрессора синтез-газа; 16 — турбины дымососов; 17 — турбины
маслонасосов; 18 — турбины насосов конденсата; 19 — турбины компрессора воздуха; 20 —
турбина компрессора природного газа; 21 — турбины насосов растворов очистки от диок-
сида углерода; 22 — турбина насоса питательной воды; 23 — пусковой котел.
зотермических процессов шахтной паровоздушной конверсии
метана, конверсии оксида углерода, метанирования и синтеза
аммиака. Используется также тепло дымовых газов, выходя-
щих из трубчатой печи. Генерируемого тепла достаточно для
почти полного обеспечения агрегата механической энергией и
технологическим паром. Лишь незначительное количество
энергии потребляет агрегат со стороны, так как некоторые сис-
темы агрегата выгоднее снабжать электроэнергией, и для бо-
лее полного использования средне- и низкопотенциального теп-
ла (см. гл. 1) необходимо вводить в систему определенное ко-
личество высокопотенциального тепла, источником которого в
данном случае является дополнительное количество природного
газа, сжигаемого во вспомогательном котле.
172
Источником рабочего тепла в современном агрегате произ-
водства аммиака является водяной пар энергетических пара-
метров. В систему энергетического обеспечения агрегата вклю-
чена подготовка питательной воды и парового конденсата, гене-
рирование пара и его перегрев, использование энергии пара в
противодавленческих и конденсационных турбинах, сбор и воз-
врат конденсата в цикл.
На рис. 3.1 изображена упрощенная схема энергетического
обеспечения современного агрегата производства аммиака. Ис-
ходная питательная вода подается в отделение водоподготов-
ки 1, где вначале подвергается предварительной очистке, в про-
цессе которой вода освобождается от взвешенных и коллоидных
частиц, нейтрализуется и фильтруется. Из осветленной воды по-
нятными фильтрами 2 выводятся вредные для парообразования
соли. Деминерализованную воду подогревают в теплообменни-
ках 3 и подают в термический деаэратор 4. Здесь через воду
непрерывно продувают пар низкого давления и отделяют ее от
большей части растворенного кислорода и других газов. Окон-
чательное освобождение воды от кислорода происходит за счет
его химического связывания, например, гидразингидратом.
Деаэрированную воду насосом высокого давления 5 подают
в нагреватели 6—8, использующие тепло дымовых газов в кон-
вективной части трубчатой печи 6, синтез-газа после метанато-
ра 7 и колонны синтеза аммиака 8. Нагретая почти до кипения
вода поступает в паросборник 9. К паросборнику подключено
несколько параллельных контуров производства пара. Огневой
вспомогательный котел 10, два котла-утилизатора Ной ступе-
ни 11, котел-утилизатор П-ой ступени 12 на линии горячего тех-
нологического газа после шахтного конвертора и котел-утили-
затор, установленный на линии конвертированного газа после
среднетемпературной конверсии оксида углерода 13 обеспечи-
вают генерацию пара. Освобожденный от большей части водя-
ных брызг, пар проходит систему пароперегревателей 14 и с
давлением 105ХЮ5 Па и при 480°С поступает в наиболее мощ-
ную турбину системы —турбину компрессора синтез-газа 15.
Из турбины пар с давлением 40ХЮБ Па и температурой 380°C
делится на два потока. Около 40% пара направляют на техно-
логию для смешения с природным газом, около 10% использу-
ется на противодавленческих турбинах, приводящих в движе-
ние дымососы 16, маслонасосы 17 и насосы конденсата 18. Ос-
тальной пар отдает свою энергию в конденсационных турби-
нах, являющихся приводами компрессора технологического
воздуха 19, природного газа 20, насосов растворов очистки 21
и питательной воды 22. Большая часть конденсата направляет-
ся в отделение подготовки питательной воды. В систему энерге-
тического обеспечения агрегата включен также автономный пус-
ковой котел 23.
Система водоподготовки
Возможность длительной бесперебойной эксплуатации сис-
темы парообразования и всего аммиачного производства в зна-
чительной степени определяется интенсивностью протекания
физико-химических процессов накипеобразования на поверхно-
стях нагрева парогенераторов, уноса солей кремниевой кислоты
и оксидов металлов паром из котловой воды и образования от-
ложений их в проточной части паровых турбин, а также корро-
зии металла оборудования и трубопроводов. Интенсивность
протекания этих процессов зависит от качества пара, которое
практически полностью определяется качеством питательной и
котловой воды.
При проектировании крупнотоннажных агрегатов уделяется
исключительно большое внимание установкам приготовления
обессоленной воды, идущей на получение пара.
Все примеси, имеющиеся в природной воде, можно по сте-
пени дисперсности (крупности) разделить на три группы: гру-
бодисперспыс, коллоидно-дисперсные; молекулярно-дисперсные..
Грубодисперсные примеси, которые определяют мутность
воды и являются механическими — это песок, глина и другие
частицы минерального и органического происхождения.
Коллоидно-дисперсные примеси свободно проходят через
бумажный фильтр. Коллоидные частицы не осаждаются даже
в течение весьма длительного времени. В природных водах в
коллоиднодисперсном состоянии находятся соединения крем-
ния, алюминия, железа, а также органические вещества.
К молекулярно- и ионодисперсным примесям относят раст-
воренные в воде соли, кислоты, щелочи и газы. Природные воды
в большинстве случаев имеют в своем составе следующие ионы:
Са2+, Mg2+, Na+, CI~, SO42-, HCO3-, HSiO3-. Ионы Со32~, Н+
ОН-, NH4+, NO2", NO3_, Fe2+, Cu2+ и др. содержатся, как пра-
вило, в незначительных количествах, но существенно влияют на
свойства воды. В маломинерализованных водах первое место
занимают ионы кальция. Основными источниками появления
ионов кальция в природных водах являются известняки и гипс.
Ионы магния поступают в воду преимущественно при растворе-
нии доломитов, если в воде имеется свободная углекислота. Из
ионов щелочных металлов в природных водах содержится
больше всего ионов натрия.
Ионы хлора присутствуют почти во всех природных водах,
причем содержание их изменяется в очень широких пределах.
Их источниками являются залежи хлористых солей осадочных
пород.
Сульфат-ионы, как и хлорид-ионы, распространены повсе-
местно. В подземных водах содержание SO42- обычно выше,
чем в воде рек и озер. Основным источником появления в воде
растворенных сульфат-ионов является гипс CaSO4-2H2O.
174
В природных водах содержится угольная кислота. Кроме
«свободной» углекислоты, находящейся в виде растворенного
углекислого газа СО2 и недиссоциированных молекул угольной
кислоты Н2СО3, в них также содержатся бикарбонатные ионы
НСО3~, а иногда — карбонатные ионы СО32-.
Соединения азота встречаются в природной воде в виде ио-
нов аммония NH4+ нитритных NO2~ и нитратных NO3~-hohob.
Основным источником Появления этих ионов являются продук-
ты распада различных сложных органических веществ животно-
го и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме то-
го, попадают в водоемы со сточными промышленными вода-
ми. В присутствии достаточного количества кислорода и осо-
бого вида бактерий ионы аммония переходят в нитритные, а
затем в нитратные ионы.
Соединения железа встречаются в природных водах в виде
солей двух- и трехвалентного железа. Эти соединения могут
быть в истинно растворенном состоянии, в виде коллоидов или
суспензий. В грунтовых водах содержится преимущественно
бикарбонат закисного железа Fe(HCO3)2, легко гидролизую-
щийся и окисляющийся при наличии в воде кислорода и умень-
шении концентрации растворенного в воде углекислого газа.
В поверхностных водах железо содержится, главным образом,
в виде органических комплексных соединений, либо в виде гид-
роксида железа Fe(OH)3. Часто причиной содержания железа
в речных водах является загрязнение их производственными
сточными водами.
Соединения кремния присутствуют в природных водах в ви-
де соединений различной степени дисперсности (коллоидных
частиц, молекул и ионов). -Разнообразие форм кремнекислых
соединений объясняется тем, что кремниевый ангидрид спосо-
бен присоединять различные количества молекул воды, обра-
зуя различные кислоты общей формулы mSiO2-«H2O.
В природных водах присутствуют также ионы А13+, Мп2+
и др.
Важнейшими из органических веществ, содержащихся в при-
родных водах, являются гуминовые и отчасти танниновые веще-
ства. В природных водах также содержатся белковые вещества
и продукты их гидролиза (аминокислоты, жиры, эфирные мас-
ла, различные органические кислоты и ряд других).
Термин «гуминовые вещества» является собирательным по-
нятием. Процесс, приводящий к образованию гуминовых ве-
ществ в природных условиях, получил название гумификации.
Эти вещества принято делить на две основные группы: гумино-
вые вещества, нерастворимые в щелочах; гуминовые вещества,
растворимые в щелочах, поэтому называемые гуминовыми кис-
лотами.
Белковые вещества, жиры и эфирные масла являются про-
дуктами жизнедеятельности и распада организмов, обитающих
в воде.
175
Органические вещества могут содержаться в природных во-
дах, если они загрязнены производственными сточными водами.
Общим для всех органических примесей, содержащихся в
природных водах, является их способность окисляться под дей-
ствием кислорода воздуха или каких-либо других окислителей.
Скорость, с которой происходит окисление, и характер обра-
зующихся при этом продуктов зависят как от самих органи-
нических примесей, так и от характера окислителя. Наиболее
распространенными в природных водах газами являются азот,
кислород и углекислый газ.
Источником обогащения природных вод кислородом и азо-
том в естественных условиях является атмосфера. Источником
появления углекислого газа в природных водах являются раз-
личные биохимические процессы окисления органических ве-
ществ как в самих водоемах, так и в почве, при фильтровании
через которую вода обогащается углекислотой.
Показатели качества воды. Основными показателями каче-
ства воды, определяющими ее пригодность для использования
в системе парообразования агрегатов производства аммиака,
являются: содержание взвешенных веществ, сухой остаток,
общая жесткость и ее составляющие, общая щелочность и ее
составляющие, окисляемость, концентрация водородных ионов,
кремнесо держание.
Содержание взвешенных веществ выражается в мг/кг. Су-
хим остатком воды называется суммарное количество раство-
ренных в ней нелетучих молекулярнодисперсных и коллоидных
веществ минерального и органического происхождения, мг/кг..
Сухой остаток определяют путем выпаривания предварительно
профильтрованной пробы воды и последующего высушивания
остатка при температуре 110°С до постоянного веса. Если су-
хой остаток прокалить при температуре 800 °C, вес его умень-
шится вследствие сгорания органических веществ, разложения
карбонатов и удаления остатков влаги. В результате получит-
ся прокаленный остаток. Суммарная концентрация отдельных
ионов в воде называется ее солесодержанием.
При анализе воды концентрации отдельных ионов выража-
ют в мг/л. Так как соли образованы эквивалентным количест-
вом катионов и анионов, то сумма миллиграмм-эквивалентов
катионов должна быть равна сумме миллиграмм-эквивалентов
анионов. Общая жесткость воды Жо равна сумме концентраций
в ней катионов кальция Жса и магния Жмв. Она выражается
в мг-экв/кг. Общая жесткость воды подразделяется на карбо-
натную и некарбонатную. Карбонатная жесткость Жк воды в
основном определяется присутствием в воде бикарбонатов,
кальция и магния, так как карбонаты их малорастворимы в
воде. Некарбонатная жесткость Жнк обусловливается наличием
в воде хлоридов, сульфатов и др. некарбонатных солей кальция
и магния.
176
Таким образом, общая жесткость воды равна сумме каль-
циевой и магниевой жесткостей, с одной стороны, и сумме кар-
бонатной и некарбонатной жесткостей — с другой. Общая жест-
кость природных вод менее 1,5 мг-экв/кг — малая; 1,5—3,0 мг-
экв/кг — средняя, 3,0—6,0 мг-экв/кг — повышенная; 6,0—
12,0 мг-экв/кг — высокая, 12 мг-экв/кг — очень высокая.
Общей щелочностью воды Що называется выраженная в
в мг-экв/кг суммарная концентрация содержащихся в воде
анионов ОН; НСО3~, СО32-, РО43~, HSiO3_, SiO32-.
Содержание органических веществ приближенно определя-
ется как разность между сухим и минеральным остатками при
прокаливании. Кроме того, для суждения об общей концентра-
ции органических примесей проводят определение окисляемости
воды. Обычно при определении окисляемости воды в качестве
окислителя применяют перманганат калия КМпО4, проводя
10-минутное кипячение воды с избытком КМпО4 в кислой сре-
де. Величину найденной таким образом окисляемости (перман-
ганатная окисляемость) выражают или в мг КМпО4, затрачен-
ных на окисление органических примесей, содержащихся в 1 л
воды, или количеством миллиграммов кислорода, эквивалент-
ным расходу КМ.пО4.
Окисляемость является чисто условным показателем, не даю-
щим непосредственного представления о весовой концентрации
органических примесей, так как при окислении перманганатом
происходит только частичное окисление молекулы органическо-
го вещества.
Наряду с перманганатной окисляемостью иногда определя-
ют полную окисляемость воды (длительное нагревание с
Н2СгО4 или HNO3), представляющую собой затрату окислителя
(выраженную обычно в кислородных единицах), необходимую
для полного окисления всех веществ в СО2 и Н2О. Сопостав-
ление величин полной и перманганатной окисляемостей позво-
ляет судить об устойчивости органических примесей воды к
действию окислителей.
Ниже приведены характеристики воды, поступающей на
производство аммиака в агрегате мощностью 1360 т/сут
(пар Р—100-105 Па) I, в сравнении с требованиями, предъяв-
ляемыми к питательной воде, используемой для получения пара
с давлением 100-105 Па и выше [90] на тепловых электростан-
циях— II:
Общая жесткость, не более . . . .
Содержание солей кремниевой кислоты (в пе-
ресчете на SiO2), мкг/кг, не более . . . .
Содержание соединений железа, мкг/кг, не
более ....................................
Содержание соединений, меди, мкг/кг, не
более ....................................
PH........................................
12—831
0,1 см3/м3
20
30
20
8,5—9,0
II
1 мкг-экв/кг
40
30
5
9,1±0,1
177
I
II
Содержание растворенного кислорода, мкг/кг,
не более ........................................ 7
Содержание свободного гидразина в пересче-
те на N2H4, мкг/кг 100
10
20-60
Приведенные выше требования к качеству питательной во-
ды определили технологию ее получения.
В крупнотоннажных агрегатах производства аммиака пита-
тельную воду обрабатывают с помощью методов ионного обме-
на, которые обеспечивают практически полное ее обессоливание.
Установки водоподготовки включают, как правило, две до-
статочно обособленные стадии обработки воды: предваритель-
ную обработку воды (предочистку) и окончательную ионитную
обработку.
Исходя из условий поставки оборудования и географическо-
го размещения крупнотоннажных агрегатов производства ам-
миака приняты следующие три основных типа установок водо-
подготовки.
I Исходная вода --> Предочистка --> Ионитная очистка -->
---► Ионитная очистка на ФСД ---> Обессоленная вода
Все стадии получения обессоленной воды размещены совместно
с агрегатами производства аммиака.
II Исходная вода -—-> Предочистка -> Ионитная очистка --->
На подпитку водооборотного цикла
——> Ионитная очистка на ФСД --> Обессоленная вода (до 10 мг/л солей)
Первые две стадии размещены отдельно от агрегата произ-
водства аммиака и могут обеспечивать обессоленной водой дру-
гие производства.
III Исходная вода --> Предочистка ——>- Ионитная очистка -»
(если необходимо)
---> Ионитная очистка --> Ионитная очистка на ФСД -->
——> Обессоленная вода (до 400 мг/л солей)
В этой схеме также первые две стадии размещены отдельно
ст агрегатов производства аммиака.
Предварительная очистка воды осуществляется либо мето-
дом коагуляции, либо методом осаждения (известкованием).
Осветление воды методом коагуляции
Коагуляция необходима для удаления веществ, которые
либо вредно влияют на состояние ионитов, либо недостаточно
ими задерживаются. К таким веществам относят механические
примеси, органические соединения, соединения железа, нереак-
ционноспособные соединения кремния. Методом коагуляции
178
воду можно очистить от взвешенных и коллоидно-дисперсных
веществ. Удаление растворенных примесей осуществляется в
весьма небольших количествах.
Основной задачей коагуляции коллоидно-дисперсных частиц
является разрушение адсорбционных слоев или ослабление их
защитного, стабилизирующего действия, для чего в обрабаты-
ваемую воду вводят коагулянт.
В практике для коагуляции применяются соли железа и
алюминия, главным образом их сульфаты.
Обычно для предварительной обработки воды методом коа-
гуляции используют сернокислый алюминий A12(SO4)3- 18Н2О..
Гидролиз сернокислого алюминия, как правило, успешно проте-
кает при введении его в определенном количестве в обрабаты-
ваемую воду, содержащую бикарбонаты, которые связывают
образующиеся при этом ионы водорода:
А13+ + ЗН2О <—>- A1(OH)S + ЗН+
н+ + нсо3- ч—>- Н2О + СО2
(3.1)
(3.2)
или в молекулярной форме:
A12(SO4)3 + ЗСа(НСО3)2 = 2А1(ОН)3 + 3CaSO4 + 6СО2 (3.3)
Гидроксид алюминия — труднорастворимое вещество. Через
несколько минут после введения в исходную воду раствора сер-
нокислого алюминия в воде появляются хлопья белого или
желтоватого цвета. Прежде чем образуются видимые хлопья,
частицы гидроксида алюминия проходят коллоидную стадию
дисперсности. Коллоидные частицы А1(ОН)3 коагулируют, сое-
диняются в более крупные, но еще неразличимые глазом части-
цы-— микрохлопья. Именно в процессе образования микро-
хлопьев и происходит основная очистка воды от коллоидных
примесей. При этом проходит сложный комплекс процессов:
коагуляция разнородных частиц, содержащихся в исходной во-
де, с коллоидными частицами гидроксида алюминия, взаимная
коагуляция разноименно заряженных коллоидов. Микрохлопья
сцепляются, захватывая грубодисперспую взвесь и воду. В ре-
зультате образуются сильно обводненные аморфные хлопья
размером 1—2 мм. Центрами хлопьеобразования могут являть-
ся и взвешенные в воде механические примеси, особенно при
значительной концентрации их.
На поверхности образующихся хлопьев происходит адсорб-
ция загрязняющих воду примесей. Особенно активно процесс
адсорбции протекает во время образования микрохлопьев на их
сильноразвитой поверхности. Образующиеся хлопья под дейст-
вием силы тяжести осаждаются или под действием восходяще-
го потока воды остаются во взвешенном состоянии и задержи-
ваются в слое ранее выделившихся частиц контактной среды,
либо удаляются на механических: фильтрах.
На процесс коагуляции влияют следующие основные фак-
торы: качество исходной воды, доза коагулянта, pH среды, ус-
12*
179
ловия перемешивания воды с коагулянтом, температура обра-
батываемой воды, дозы вспомогательных реагентов, порядок их
ввода в обрабатываемую воду [91].
Доза коагулянта определяется количеством и составом при-
сутствующих в обрабатываемой воде коллоидных примесей
и растворенных солей. Оптимальной дозы коагулянта устанав-
ливаются опытным путем для каждого источника водоснабже-
ния в характерные периоды года. Оптимальной признается та-
кая доза коагулянта, при которой достигаются более быстрое
хлопьеобразование, лучшее осветление, полное обесцвечивание
воды, более глубокое удаление железа и органических приме-
сей и меньшее остаточное содержание алюминия. Обычно дозы
сульфата алюминия находятся в пределах 0,5—1,2 мг-экв/л.
Степень снижения окисляемости и содержания железа нахо-
дятся, как правило, в прямой зависимости от дозы коагулянта.
Величина pH среды при коагулировании воды имеет важное
значение, так как концентрация водородных ионов оказывает
влияние на скорость и полноту гидролиза коагулянта.
Оптимальная величина pH устанавливается эксперименталь-
но для каждой воды, а при изменении качества воды в различ-
ные сезоны — для каждого характерного периода года. Величи-
на pH, как правило, находится в пределах 5,5—7,5.
При низкой щелочности исходной воды иногда требуется
дополнительно подщелачивать воду с целью нейтрализации из-
быточных ионов водорода и создания нужного значения pH.
Обычно для этой цели применяют растворы извести:
A12(SO4)3 + ЗСа(ОН)2 = 2А1(ОН)3 + 3CaSO4 (3.4)
Необходимая доза щелочи обычно составляет 0,3—1,0 мг-
экв/л. Оптимальная температура для коагуляции примесей при-
родных вод с помощью сернокислого алюминия равна 25—
30 °C.
При коагуляции имеет большое значение стабильность тем-
пературы воды. Всякое колебание температуры воды ведет к
образованию местных токов и замутнению воды, выходящей из
осветлителя, поэтому заданная температура подогрева воды
должна поддерживаться автоматически с точностью ± 1 °C.
С целью улучшения хлопьеобразования применяют флоку-
лянты (хлопьеобразователи), которые представляют собой вы-
сокомолекулярные соединения, образующие в воде истинные
растворы. В отечественной промышленности используются ра-
створы полиакриламида (ПЛА).
Необходимая доза ПАА и получаемый эффект от его ввода
выявляются экспериментально и зависят от физико-химических
свойств обрабатываемой воды, в частности, от ее мутности и
дозы коагулянта. Обычно дозы ПАА составляют 0,1—1,0 мг/л
(в пересчете на 100% продукта), причем меньшие дозы соответ-
ствуют меньшей мутности исходной воды. Окончательное освет-
ление воды достигается на механических фильтрах.
180
Рис. 3.2. Принципиальная схема коагуляции речной воды:
1 — осветлитель; 2 — распределитель; 3 — механический фильтр; 4 — паровой эжектор; .
5 — насосы рекупераций; 6 — насосы шламовые.
На рис. 3.2 приведена принципиальная схема коагуляции
воды в осветлителе с использованием полиакриламида. Уста-
новка рассчитана на подачу в нее речной воды, следующего ка-
чества: содержание взвешенных веществ до 50 мг/л, окисляе-
мость до 20 м/гл О2 железо, общее до 1,0 мг/л, жесткость кар-
бонатная до 2,6 мг-экв/л.
Установка обеспечивает осветленной водой отделение обес-
соливания, являющееся общим для двух агрегатов производст-
ва аммиака мощностью 1360 т/сут каждый. На стадии осветле-
ния установлены один осветлитель и четыре механических са-
мотечных фильтра, загруженных антрацитовой крошкой (высо-
та слоя 0,6 м). Осветленная вода после осветлителя содержит
взвешенные вещества (до 10 мг/л) железа (до 0,2 мг/л), ее ще-
лочность составляет 2,1 мг-экв/л. Осветленная вода после меха-
нических фильтров содержит взвешенных веществ до 2 мг/л, ее
окисляемость до 8 мг/л О2, содержание железа до 0,2 мг/л.
Осветление воды методом осаждения
(известкование)
Принципиальная схема процесса известкования воды пред-
ставлена на рис. 3.3.
Известкование проводят в осветлителе, куда подают подогре-
тую воду и реагенты — известь, коагулянт и, при необходимо-
сги, флокулянт. Примеси удаляют из воды в виде осадка, ко-
|<>рый выводят из осветлителя с продувочной водой. Далее
иоду окончательно осветляют в механических фильтрах. Декар-
бонизация воды, т. е. снижение щелочности, достигается путем
181
2-
Рис. 3.3. Принципиальная схема процесса известкования воды:
/ — подогреватель речной воды; 2 — осветлитель; 3 — вход коагулянта; 4 — подача рас-
твора извести; 5 — подача полиакрила; 6 — сборник осветленной воды; 7 — насос; 8 — ме-
ханический реактор.
повышения pH >9 с одновременным выводом из сферы реакции
(осаждением) образующихся карбонат-ионов в составе трудно-
растворимого соединения СаСО3. Для этого в обрабатываемую
воду вводят известь в виде раствора или суспензии, так назы-
ваемого «известкового молока». В результате подачи извести
в обрабатываемой воде повышается концентрация ионов Са2+
и ОН~, при этом увеличивается pH раствора, что приводит к
смещению равновесия в сторону образования карбонат-ионов:
НСО3" + ОН- --> СО2-2 + Н2О (3.5)
Нз-за повышения концентрации карбонат-ионов достигается
произведение растворимости СаСО3, что определяет выделение
в осадок ионов СОз2~ и Са2+:
Са2++СО32- ---> СаСО3| (3.6}
Выделение ионов СО32~ из раствора в составе осадка приводит
к дальнейшей диссоциации ионов НСО3_.
При введении извести в количестве большем, чем это необ-
ходимо для связывания свободной угольной кислоты и разло-
жения бикарбонат-ионов, в воде возникает избыточная концент-
рация гидроксильных ионов, в результате чего достигается про-
изведение растворимости и для гидроксида магния, который
также выпадает в осадок, что приводит к частичному снижению
магниевой жесткости воды:
Mg2+4-2OH-----> Mg(OH)2| (3.7)
Образующиеся в процессе известкования воды карбонат каль-
ция СаСОз и гидроксид магния Mg(OH)2 выпадают в виде
осадка (шлама).
Коагуляция при известковании является процессом, улуч-
шающим формирование осадка и протекание процесса удале-
ния примесей. В качестве коагулянта при известковании ис-
пользуют железный купорос FeSO4-7H2O. Применять сульфат
алюминия в качестве коагулянта при известковании воды не
следует. При pH среды около 10, поддерживаемом обычно при
182
известковании воды, из-за амфотерности алюминия происходит
образование алюминатов кальция, хорошо растворимых в воде.
При этом повышается остаточная концентрация соединений
алюминия в воде и ухудшается результат коагуляции.
При введении в воду наряду с известью раствора железного
купороса происходит его гидролиз — окисление растворенным
в воде кислородом и образование гидроксида железа.
Реакция взаимодействия может быть выражена следующи-
ми уравнениями:
FeSO4 4- Са(ОН)2 > Fc(OH)2 + CaSO4 (3.8)
4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2О -> 4Ге(ОН)3| (3.9)
Коагулянт образует нерастворимый в воде осадок, имеющий
рыхлую пористую поверхность. Если вместе с коллоидными
веществами в воде имеются взвешенные грубодисперсные ча-
стицы (глина, ил, лесок), образовавшиеся хлопья скоагулиро-
ванных коллоидов обволакивают эти взвешенные частицы и
вместе с ними выпадают в осадок.
Совместное известкование и коагуляция обеспечивает наи-
лучший эффект протекания обоих процессов, так как Са(ОН)2
является поставщиком гидроксил-ионов при гидролизе FeSO4,
что резко ускоряет выпадение осадка Fe(OH)3. В свою очередь,
при удалении железа в процессе коагуляции создаются благо-
приятные условия для роста кристаллов СаСОз. Анализ приве-
денных уравнений позволяет определить необходимые количе-
ства извести.
Эксплуатационную дозу извести устанавливают на основе
практического определения щелочности. Дозу коагулянта невоз
можно определить расчетным путем по анализу исходной воды.
Ее определяют экспериментально пробной коагуляцией при од-
новременном известковании в лабораторных условиях и уточня-
ют по результатам обработки воды на предварительной очистке.
В зависимости от свойств исходной воды и желаемых ре-
зультатов ее очистки при известковании требуются различные
дозы коагулянта (обычно 0,25—0,75 мг-экв/л). Однако, дозу
иногда увеличивают до 1—125 мг-экв/л, если необходимо более
глубокое удаление соединений железа, при высокой окисляе-
мости исходной воды и ее загрязнении промышленными стока-
ми, при известковании вод с малой щелочностью.
На процесс известкования влияют качество исходной воды,
температура обрабатываемой воды, применение коагулянта и
флокулянта [92]. Для процесса известкования благоприятны
большая щелочность исходной воды—-более 2 мг-экв/л, малое
содержание в воде взвеси (до 100 мг/л). Оптимальная темпера-
тура воды с учетом стойкости ионитов равна 30—40 °C, при
этом интенсифицируется процесс обработки, снижается щелоч-
ность, улучшаются условия отделения осадка.
Температура известкуемой воды должна быть стабильной —
колебания ее приводят к возникновению температурных неод-
183
породностей в осветлителе и ухудшению результатов осветле-
ния воды.
Использование осадка в качестве контактной среды позво-
ляет при известковании воды сократить продолжительность об-
работки и повысить скорость движения воды в аппаратах, по-
низить в обработанной воде остаточную щелочность.
При использовании хлопьевидного осадка в обработанной
воде снижается также содержание кремнекислых соединений,
одновременно уменьшается расход коагулянтов и снижается ее
окисляемость.
Для того чтобы сохранить технологические свойства осадка
в период паводка, когда значительно изменяется качество об-
рабатываемой воды, в нее дополнительно может быть введен
активатор коагуляции — полиакриламид (ПАА).
Обычная доза ПАА (считая на безводный! продукт) при из-
вестковании составляет — 0,5—1,0 мг/л. ПАА следует вводить
по ходу воды после извести и коагулянта на той высоте аппа-
рата, где уже завершено перемешивание воды с этими реаген-
тами и образованы хлопья. Разрыв во времени между ввода-
ми извести и флокулянта должен составлять 2—3 мин. В экс-
плуатационных условиях результаты известкования оценивают
по следующим показателям: остаточная щелочность, содержа-
ние взвешенных веществ, окисляемость, жесткость, сухой оста-
ток, содержание железа.
При налаженном режиме вода на выходе из осветлителя со-
держит взвешенных веществ до 10 мг/л (предельно допустимое
содержание взвеси не больше 30 мг/л). На выходе из механи-
ческих фильтров вода должна быть свободной от взвеси.
Снижение окисляемости воды в результате ее известкования
в значительной мере зависит от характера содержащихся в во-
де примесей. Естественные примеси, содержащиеся в поверхно-
стных источниках, не загрязненных промышленными стоками,,
удаляются относительно хорошо. Остаточная окисляемость из-
весткованной воды в этом случае относительно мало зависит от
исходной и обычно составляет 2—4 мг О2/л. При загрязнении
исходной воды промышленными стоками состав загрязнений и
степень удаления их при известковании могут быть весьма раз-
личными.
Можно считать, что при известковании воды остаточная
окисляемость составляет 70% исходной, а по абсолютной вели-
чине обычно составляет 3—4, нередко и 7—8 мг О2/л.
Жесткость известкованной воды зависит от ее остаточной
щелочности, дозы коагулянта и некарбонатной жесткости исход-
ной воды: J^Koct=Жисх Шисх+Шост+Dk, мг-экв/л.
При правильном проведении известкования, т. е. при доста-
точном окислении Fe2+ в Fe3+, поддержании надлежащей гид-
ратной щелочности и полном удалении образующихся осадков
в известкованной воде должны содержаться лишь следы солей
железа. Остаточное содержание солей железа в воде может
184
быть снижено до 300 мкг/л. Остаточное содержание кремнекис-
лых солей в известкованной воде составляет обычно 30—35%
исходной (при 40°C). Содержание солей алюминия в извест-
кованной воде снижается и составляет не более 75 мкг/л.
Осветление воды методом осаждения получило наиболее
широкое распространение при подготовке воды для крупнотон-
нажных агрегатов производства аммиака.
Основное оборудование
Осветлители. Для известкования воды применяют освет-
лители, основные технологические показатели которых приведе-
ны в табл. 3.1.
Осветлители размещаются вне здания водоподготовительной
установки, на минимальном расстоянии от пего, где также рас-
полагаются емкости известкованной воды. Общая полезная ем-
кость баков известкованной воды принимается равной часовой
производительности осветлителей.
Механические фильтры. На предочистках с известкованием
применяют напорные вертикальные механические фильтры
(рис. 3.4). Количество механических фильтров выбирают исхо-
дя из расчетной скорости фильтрования 10 м/ч при одном
фильтре, включенном на промывку, и при минимальном расхо-
де осветленной воды.
Устройства для промывки механических фильтров должны
обеспечивать интенсивность водной промывки [(12 л/(с-м2)],
расчетную длительность промывки (20 мин), интенсивность
взрыхления воздухом [20 л/(с-м2)]. Промывку фильтров про-
изводят известкованной или фильтрованной водой.
Внутренняя поверхность фильтров имеет антикоррозионное
покрытие, дренажи фильтров и детали крепления дренажей
должны выполняться из коррозионно-стойких материалов.
Фильтры загружают дробленым антрацитом (фракции 0,6—
2,0 мм, зольность не более 5%, содержание серы не более 3%,
насыпной вес 0,8 т/м3). Механическая прочность материала
должна удовлетворять требованиям минимальной годовой поте-
ри материала, но должна быть не более 2,5%. Требование хи-
мической стойкости фильтрующего материала сводится к тому,
чтобы в процессе фильтрования вода не обогащалась примеся-
ми железа, кремниевой кислотой, органическими соединениями.
Обработка воды с помощью ионитов. Обработка воды мето-
дом ионного обмена основана на способности некоторых прак-
тически нерастворимых в воде веществ, называемых ионитами,
изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Для
этого обрабатываемую воду пропускают через фильтры, загру-
женные ионитами. Просачиваясь между зернами ионита, обра-
батываемая вода обменивает часть ионов растворенных в ней
электролитов на эквивалентное количество ионов ионита, в ре-
185
Таблица 3.1. Основные технологические показатели осветлителей
Марка осветлителя
S S S S S X
Показатель К о о 8
1 , f г~> ,
X X х X X X X
Й Р2 PQ PQ PQ СО PQ
Производительность, м3/ч расчетная максимальная (пропуск- ная способность) 63 100 160 250 400 630 1000
78 125 200 310 500 780 1250
Общий геометрический объ- ем, м3 Площадь поперечного сече- ния, м2 76 133 236 413 650 1240 2127
зон контактной среды и осветления Н.4 18,8 31,3 51,0 79,1 125,6 210
зоны осветления ШУ 2,4 4,32 6,15 11 15,9 28,3 44
Высота, м (21,5) (23) (19,6) (21,7) (20,1) (22,3) (21)
приведенной зоны кон- тактной среды 2,8 2,9 3,5 3,8 4,0 5,1 4,9
зоны осветления (до борта желоба) Длительность пребывания 1,9 1,9 1,95 2,1 2,2 2,3 2,5
ВОДЫ условная (геометриче- ский объем, отнесенный к расходу), ч 1,2 1,33 1,47 1,65 1,63 1,97 2,13
в воздухоотделителе, 'МИН 4,3 4,6 4,8 5,2 4,6 5,5 5,7
в смесителе, мин 4,65 4,6 4,8 5 5,3 5,3 5,25
в зоне контактной сре- ды, мин 30 32 41 43 42 56 59
в зоне осветления, мин 20 21 22 24 26 23 31
в зоне уплотнения ШУ (при продувке 26), ч Скорость движения воды 3,4 3,9 3,8 5,3 4,8 6,2 6,7
в воздухоотделителе, м/ч 22,7 21 23 20,3 25,6 22,7 23,2
в зоне контактной ере- 1,57 1,51 1,45 1,39 1,43 1,42 1,34
ды, мм/с 5,65 5,45 5,21 5 5,15 5,11 4,85
м/ч в зоне осветления (при 1,26 1,2 1,16 1,11 1,15 1,14 1,07
«отсечке» 20%), мм/с м/ч 4,52 4,35 4,18 4 4,12 4,1 3,9
Примечание. В скобках приведены значения площади зоны контактной среды (в %).
186
Рис. 3.4. Осветлительный фильтр.
зультате чего изменяется ионный
состав как фильтруемой воды,
так и самого ионита.
Если в процессе обработки
воды происходит обмен катионов,
то такой процесс называется ка-
тионированием, если происходит
обмен анионов, то этот процесс
называется анионированием.
Способность ионитов к ионно-
му обмену объясняется их спе-
цифической структурой: к отдель-
ным местам твердой нераствори-
мой в воде молекулярной сетки
на поверхности и внутри ее при-
соединены химически активные
функциональные группы атомов
ионита.
С электрической точки зрения
каждая молекула является свое-
образным твердым электролитом. В результате электролитиче-
ской диссоциации вокруг нерастворимого в воде ядра ионита
образуется ионная атмосфера, представляющая собой ограни-
ченное вокруг молекулы ионита пространство, в котором нахо-
дятся подвижные и способные к обмену ионы (катионы или
анионы).
На рис. 3.5 в упрощенном виде изображена структура мо-
лекул ионита.
Процесс обмена ионов является чисто диффузионным; из ио-
нита, содержащего в начале процесса только ионы А, ионы А
диффундируют в раствор, содержащий только ионы В, а пос-
ледние диффундируют в ионит. Взаимная диффузия ионов А и
В приводит к установлению равновесия между ионитом и рас-
твором.
Если раствор, в котором находится частица ионита, непре-
рывно перемешивается, то можно не учитывать диффузии ионов
в самом растворе, а в качестве стадий, определяющих ско-
рость установления ионообменного равновесия, рассматривать
лишь две: а) скорость взаимодиффузии ионов в пленке жид-
кости, непосредственно примыкающей к частице ионита и
б) скорость взаимодиффузии ионов в самом ионите.
Кинетика ионного обмена определяется скоростью наибо-
лее медленно протекающего из этих двух процессов и в зави-
симости от соотношения скоростей будет подчиняться в первом
случае закономерностям кинетики внешней диффузии, во вто-
ром —- внутренней диффузии.
Внешняя диффузия преимущественно наблюдается в случае
187
Рис. 3.5. Схема структуры мо-
лекулы ионита:
1 — твердый многоатомный кар-
кас ионита; 2 — связанные С
каркасом неподвижные ионы
активных групп; 3 — ограничен-
но подвижные ионы активных
групп, способные к обмену.
использования сильнокислотных и сильноосновных ионитов с
высокой концентрацией функциональных групп, ионитов с воз-
можно малым диаметром частиц. Кроме того, факторами, обус-
ловливающими внешнюю диффузию, являются низкая концент-
рация ионов в растворе и слабое перемешивание раствора (уве-
личение толщины пленки).
Факторы, уменьшающие взаимодиффузионный поток в иони-
те и увеличивающие его в пленке, способствуют возникновению
внутренней диффузии, которая наблюдается в случае примене-
ния слабокислотпых и слабоосповпых ионитов, ионитов с боль-
шими размерами частиц. Высокая концентрация ионов в рас-
творе и интенсивное (турбулентное) перемешивание его также
относятся к факторам, обусловливающим внутреннюю диффу-
зию.
Из механизма адсорбции ионов следует, что ионитами могут
являться также вещества, которые нерастворимы в данном рас-
творителе (воде) и в молекуле которых содержатся группы,
способные к адсорбции отдельных ионов из раствора или к дис-
социации с отдачей ионов одного какого-либо знака заряда. Эти
группы получили название функциональных групп. Функцио-
нальными группами в органических катионитах чаще всего яв-
ляются карбоксильная группа СООН— (слабокислотная)
и остаток серной кислоты — сульфогруппа SO3H~ (сильнокис-
лотная) .
Функциональными группами в органических анионитах ча-
ще всего являются: аминогруппа —NH2, иминогруппа >NH,
группа четырехзамещенного аммония —NR3OH (где R — орга-
нический радикал).
Сорбционные фильтры в условиях равновесия могут рабо-
тать только при малых скоростях фильтрования и малых разме-
рах зерен ионитов. Однако на практике эти условия обычно не
соблюдаются, и поэтому работа сорбционных фильтров прохо-
дит в неравновесных условиях, когда основную роль играют ки-
нетические факторы.
Технологические характеристики ионитов. Качество ионитов-
характеризуется рядом физических и химических свойств, опре-
деляющих эффективность использования ионитов, а также рас-
ход реагентов и воды на их регенерацию и потери ионитов в,
процессе их эксплуатации.
188
Основными физическими свойствами ионитов являются их:
фракционный состав, насыпная масса, степень набухания в воде
и механическая прочность. Крупность зерен ионитов, применяе-
мых в промышленности, лежит в пределах 0,3—1,5 мм.
Насыпной массой ионита называют массу единицы его объе-
ма, выражаемую в т/м3. Различают значения насыпной массы
ионита в сухом ус и влажном уБ состояниях. Первая величи-
на — насыпная масса ионита в воздушно-сухом состоянии, вто-
рая— масса воздушно-сухого ионита в единице объема влаж-
ного (набухшего) материала.
Различие в значениях ус и ув обусловливается способностью
ионита к набуханию в воде. Степень (коэффициент) этого на-
бухания Кн определяется соотношением значений насыпной
массы ионита во влажном и сухом состоянии:
Кн=Тс/Уп (З.Ю)
Значения К„ и ув не являются постоянными для данного ма-
териала и сильно зависят от ионной формы ионита, pH воды,
природы и концентрации растворенных в ней солей и других
факторов; коэффициент набухания ионита лежит в пределах от
1,05—1,1 до 1,5—1,6.
Следует отметить, что величина ус важна при определении
размеров склада для хранения ионитов (в сухом состоянии).
Величина ув определяет необходимые размеры и число ионнт-
ных фильтров.
Механическая прочность зерен ионита обусловливает поте-
ри материала в процессе эксплуатации при измельчении их под
действием потока воды.
К химическим свойствам ионита относят: химическую стой-
кость, степень кислотности или основности, обменную емкость,
глубину удаления поглощаемых ионитом ионов, удельный рас-
ход реагентов и отмывочной воды.
Химическая стойкость ионита зависит не только от его со-
става и структуры, но и от pH среды, природы и концентрации
растворенных в ней ионов. Под действием среды может проис-
ходить растворение вещества ионита, а также переход его в
коллоидный раствор, что нередко сопровождается измельчением
зерен ионита.
Химическая стойкость ионита сильно зависит также от ко-
личества (концентрации) содержащихся в нем функциональ-
ных (активных) групп. Природа этих групп определяет способ-
ность ионита к обмену ионов в нейтральной или кислой (щелоч-
ной) среде, полноту поглощения им тех или иных ионов при
данном значении pH среды, выбор генерирующего агента и т. д.
В соответствии с этим различают сильнокислотные и слабокис-
лотные катиониты, сильноосновные и слабоосновные аниониты,
главной характеристикой которых в данном отношении служит
показатель силы их кислотности или основности. Сила кислот-
ности катионитов или основность анионитов является важным
18&
показателем для выбора тех или иных ионитов при разработке
'Схем обессоливания воды.
Важнейшим технологическим показателем для любого иони-
та является его обменная емкость. Статическая, или равновес-
ная, обменная емкость ионита ОЕСТ соответствует количеству
ионов (г-экв), обмененных единицей объема (м3) регенериро-
ванного ионита при контакте его с раствором поглощаемого
иона определенной концентрации в отсутствие протока жидко-
сти.
На практике и при проектировании системы водоподготовки
имеет значение только динамическая емкость ОЕД. Динамичес-
кая емкость поглощения ионита ОЕД определяется путем филь-
трования раствора поглощаемого иона через слой ионита опре-
деленной высоты. Для определения ОЕД имеет значение проток
воды, обусловливающий постепенное смещение установленного
равновесия как в самом ионите, так и в ионизируемой воде.
В данных условиях большое значение имеют общая высота
слоя ионита, длина работающего слоя, скорость фильтрования
воды, а также гидравлические условия работы ионитного слоя
в отношении равномерности фильтрования воды по всему по-
перечному сечению слоя ионита.
Под эффектом ионитной обработки воды обычно понимают
величину остаточной концентрации поглощаемого иона в филь-
трате при данных условиях регенерации ионита, данном соста-
ве обрабатываемой воды и определенном режиме фильтрования
(высота слоя ионита, скорость фильтрования).
Скорость фильтрования обычно относят к свободному попе-
речному сечению фильтра и выражают в м/ч.
Эффективность ионитной обработки воды, а также обменная
емкость ионита в большой степени зависят от режима его реге-
нерации. Важнейшим показателем этого режима (наряду с кон-
центрацией и температурой регенерационного раствора) являет-
ся удельный расход реагента.
Обменная емкость ионита обычно возрастает с увеличением
удельного расхода реагента. Однако с целью повышения эконо-
мичности ионитной обработки воды обычно выбирают оптималь-
ную величину удельного расхода реагента, обеспечивающую
глубокое удаление из воды поглощаемых ионов и достаточную
обменную емкость.
В числе технологических характеристик ионита следует упо-
мянуть показатели интенсивности промывки ионитного слоя,
необходимой для обеспечения хорошей регенерации ионита и
выражаемой в л/(с-м2), а также удельный расход воды на его
отмывку после регенерации, измеряемый в м3 воды на м3 влаж-
ного ионита.
Некоторые технологические характеристики отечественных и
зарубежных катионитов и анионитов, используемых на установ-
ках обессоливания воды аммиачных агрегатов, приведены в
табл. 3.2.
190
Таблица 3.2. Характеристики катионитов* и анионитов**
Марка Диаметр зерна, мм Насыпная плотность (воздушно- сухого), кг/м3 Объемная емкость в динамиче- ских усло- виях, г-экв/м3
Катиониты
КУ-2-84С [93], СССР 0,41—1,25 800 1300
Сульфоуголь СК-1 [93], СССР 0,25—1,25 650 Не менее 268
Диаион РК-212, Япония 0,4—0,6 740—790 1500
Айонак С-267, США 0,4—1,2 800 1900
Аниониты
АВ-17-8 [94], СССР 0,4—1,25 600—700 Не менее 690
АН-31 [94], СССР 0,4—2,0 720—750 Нс менее 1200
Диаион РА-312, Япония 0,35—0,55 639—680 —
Диаион РА-418, Япония 0,35—0,55 650—700 —
Айонэк ASB-1P, США 0,3—0,84 690 1.300
Айонэк А-550, США 0,3—0,84 690 1300
* Функциональная группа SO3H—.
** функциональная группа N+(CH3)3.
Водород — катионирование воды. При Н-катионировании во-
ды обменными ионами служат катионы водорода.
Н-катионитовые фильтры предназначены для поглощения из
фильтруемой воды преимущественно катионов жесткости каль-
ция и магния, а также катионов натрия с заменой поглощенных
катионов катионами водорода, содержащимися в катионите.
При фильтровании воды через катионит происходит ионный
обмен в соответствии со следующими реакциями:
2H+R- + Са2+ Ca2+R2“ + 2Н+
2H+R- + Mg2+ <—> Mg2+R2" 4- 2Н+
H+R- + Na+ 4—> Na+R- + H+
(З.И)
(3.12)
(3.13)
Часть катионов водорода взаимодействует с присутствующими
в умягченной воде бикарбонатными анионами, образуя диоксид
углерода и воду:
Н+ + НСО3- --> СО2 + Н2О (3.14)
В фильтрате при этом появляются минеральные кислоты (сер-
ная, соляная, угольная, кремниевая и др.), так как при филь-
тровании через катионит наблюдаются следующие процессы:
распад бикарбонатов с выделением диоксида углерода,
образование сильных минеральных кислот, содержание ко-
торых в фильтрате Н-катионитных фильтров эквивалентно со-
держанию сульфатов, хлоридов, нитратов в воде, подаваемой на
установку (вода после Н-катионитных фильтров имеет кислую
реакцию),
образование слабой кремниевой кислоты при наличии в ис-
ходной воде растворенных силикатов кальция и магния.
191
Рабочий цикл на фильтре продолжается до истощения иони-
та. Этот момент устанавливают по проскоку в фильтрате катио-
на натрия. При понижении кислотности менее 0,2 мг-экв/кг
(концентрации Na+ в фильтрате 0,2 мг/кг) фильтр отключают
на регенерацию. Процесс регенерации состоит из трех последо-
вательных операций: взрыхление катионита потоком воды
снизу вверх; собственно регенерация, т. е. пропускание раство-
ра H2SO4 через ионит; отмывка ионита от продуктов регенера-
ции и от избытка регенерирующего вещества.
Взрыхление производят поочередно промывочной водой из
бака кислых вод повторного использования. Эта операция уст-
раняет спрессованность ионита, которая получается при филь-
тровании воды под давлением и может привести к неравномер-
ному прохождению регенерационного раствора через толщу ио-
нита, а следовательно, к неполноценной регенерации.
Регенерацию осуществляют пропусканием 1%-ного затем
3%-ного и 5%-ного растворов H2SO4.
При регенерации Н-катионита ионы водорода, содержащие-
ся в растворе кислоты, вытесняют из катионита задержанные
при рабочем цикле фильтрования катионы, которые переходят
в раствор.
При этом обменная емкость катионита, вновь обогащенного
ионами водорода, восстанавливается:
(Са2+; Mg2+; Na+) R“ + H2SO4 -—>
---> H+R- + (Ca2+; Mg2+; Na+) SO42- (3.15)
Первыми порциями слабоконцентрированного раствора уда-
ляется большая часть кальция за пределы фильтра и тем са-
мым предотвращается выделение гипса CaSO4, который за пре-
делами растворимости быстро выпадает в осадок, цементируя
катионит при подаче порций более концентрированного раство-
ра кислоты.
Отмывку катионита от продуктов регенерации и избытка
H2SO4 проводят сверху вниз осветленной водой.
Отмывку заканчивают при кислотности до 2,0 мг-экв/мг и
жесткости-—до 0,2 мг-экв/кг.
Анионирование воды. Анионирование воды, т. е. обмен со-
держащихся в ней анионов на обменные ионы анионита, произ-
водят с целью химического обессоливания воды. При этом об-
менными ионами в анионите могут быть также анионы, которые
с катионами водорода образуют воду или свободный углекис-
лый газ, который затем удаляют продувкой воздухом.
А+ОН- + 2Н+ + SO42" <=> А2 + О42- + 2Н2О (3.16)
А+О1Г + Н+ + С1“ <—>: А+С1- + Н2О (3.17)
A+OH'+H+ + HSiOs- ч—>; A+HSiOs_ + Н2О . (3.18)
А+ОН” + Н+ -ф НСО3- <—> А+НСОд- + Н2О (3.19)
Возможно поглощение из воды как сильноосновных, так и
слабоосновных анионов.
192
Реакции, протекающие при регенерации анношнов, можно
представить следующими уравнениями:
А+СГ + Na+OH' -----> А+ОН- + Na+CI" (3.20)
A2+SO4" + 2Na+OH~ ----> 2А+О1Г + Na2+SO42- (3.21)
A+HSiOs_ + Na+OH" ----> А+О1Г + Na+HSiOg" (3.22)
Механизм и влияние различных факторов на основные тех-
нологические показатели процессов (рабочую емкость поглоще-
ния, эффективность удаления из воды анионов) для ионного и
анионного обмена во многом аналогичны.
Так, степень насыщения анионита поглощаемыми ионами
по высоте фильтрующего слоя, как и при катиопировании, не-
одинакова. Верхние слои ионита насыщены в большей степени,
чем расположенные ниже. Это различие зависит от природы
поглощаемых анионов.
Обменная емкость анионита обычно восстанавливается до-
статочно хорошо при регенерации его двухкратным по срав-
нению со стехиометрическим избытком щелочи. Не возникает
также необходимости увеличения расхода щелочи на регенера-
цию анионита при возрастании кислотности анионируемой во-
ды. Это объясняется тем, что поглощение анионов из кислой
среды анионитов с обменными ионами щелочного характера не
сопровождается увеличением концентрации противоиона в
фильтрате, так как переходящие в раствор ионы ОН- связы-
ваются ионами водорода с образованием весьма слабо диссо-
циирующего вещества — воды.
При фильтрации через слой анионита раствора смеси двух
или более кислот наблюдаются явления, аналогичные тем, ко-
торы были описаны при катиопировании воды. Так, при одно-
временном поглощении анионитом ионов С'1~ и SO42- сначала
к выходным слоям продвигается зона поглощения хлор-иона, а
затем — сульфат-иона.
В течение первого периода работы анионитного фильтра
происходит поглощение всех анионов. Затем наступает проскок
наименее активных анионов, концентрация которых в фильтра-
те постепенно увеличивается и может значительно превысить
содержание его в исходном растворе вследствие вытеснения ра-
нее поглощенных ионов другими более активными анионами.
После этого наступает проскок следующего по активности
аниона.
Обменная емкость анионита по иону SO42- примерно в
1,5 раза больше, чем по иону С1~ из-за его большей активности.
Расход щелочи для регенерации слабоосновных анионитов
достаточен в двухкратном количестве против стехиометрическо-
го, т. е. 2 экв/т-экв. При повторном использовании щелочных
отмывочных вод для регенерации анионита расход реагента
можно снизить на 15—30%. Необходимая концентрация регене-
рационного раствора составляет 2—4%. Отмывку анионитов и
13—831
193
Концентрация SiOj в исходной
воде, мг/л
Глубина обескремнивания
Рис. 3.6. Зависимость кремнеемкости (Ер>
анионитов по H2SIO3 от ее концентрации в
исходной воде:
/ — при проскоке 0,1 мг 10-3/м3; 2 —то же,
0,5 мг 10~3/м3.
приготовление регенерационного
раствора следует производить на
Н-катионированной воде.
Анионы слабых кислот
(HSiO3“, НСОз" и др.) не всту-
пают в обменные реакции со сла-
боосновными анионитами. Силь-
ноосновные аниониты способны
извлекать из воды все содержа-
щиеся в ней анионы как силь-
ных, так и слабых кислот.
воды и кремнеемкость сильноос-
новного анионита очень сильно зависят от концентрации в
фильтрате противоиона (ОН-) еще сильнее, чем при поглоще-
нии анионов сильных кислот. Поэтому аиионитное обескремни-
вание воды происходит достаточно эффективно лишь при отсут-
ствии в поступающей на анионит воде других катионов, кроме
ионов водорода. При наличии в Н-катионированной воде ионов
Na+ уравновешивающие их анионы заменяются ОН-ионами, pH
воды повышается, и процесс обескремнивания воды резко ухуд-
шается.
Сильноосновные аниониты регенерируются 4%-ным раство-
ром едкого натра, эффект глубокого обескремнивания достига-
ется лишь при больших расходах едкого натра. Для большин-
ства сильноосновных анионитов удельный расход едкого натра
на регенерацию превосходит стехиометрический в несколько
раз. Путем повторного использования регенерационных и отмы-
вочных вод общий удельный расход щелочи на регенерацию
анионитов может быть значительно снижен.
С ростом концентрации кремниевой кислоты в Н-катиониро-
ванной воде кремнеемкость анионита сильно возрастает
(рис. 3.6).
Наличие в Н-катионированной воде свободной углекислоты,
более сильной, чем кремниевая, уменьшает кремнеемкость анио-
нита и вызывает более ранний проскок ионов HSiO3~ в филь-
трат. Поэтому перед обескремниванием Н-катионированной
воды из нее необходимо возможно более полно удалить СО2,
что достигается продувкой воды после Н-катионированпя возду-
хом (процесс декарбонизации).
Некоторые аниониты с течением времени «стареют» вслед-
ствие окисления их растворенным в воде кислородом и загряз-
нения органическими веществами, при этом изменяются их тех-
нологические свойства и снижается рабочая обменная емкость.
В результате воздействия на аниониты растворенного в воде и
194
регенерационном растворе кислорода и других окислителей
происходит окисление органического вещества анионита с обра-
зованием в его структуре новых функциональных групп, спо-
собных к катионному обмену, т. е. анионит становится амфотер-
ным. Степень амфотерности анионита с течением времени в
процессе его эксплуатации увеличивается, и соответственно
ухудшается эффект обессоливания воды.
Косвенным признаком старения анионита является увеличе-
ние расхода отмывочной воды при регенерации.
Поглощение органических веществ анионитами может быть
обратимым или необратимым. Вследствие необратимой сорбции
органических веществ происходит снижение емкости поглоще-
ния и особенно эффекта обессоливания воды. Удаление сорби-
рованных органических веществ из анионитов достигается пе-
риодической промывкой их горячим раствором поваренной соли.
Порядок эксплуатации анионитовых фильтров мало отли-
чается от такового для катионитовых фильтров. Основные раз-
личия заключаются в режиме регенерации и отмывки и пока-
зателях отключения фильтров на регенерацию. Кроме того,
вследствие меньшей плотности анионитов и большего набуха-
ния их при взрыхлении анионитного слоя требуется меньшая
интенсивность промывки.
Выбор схемы ионитной обработки воды
Для получения обработанной воды с требуемым содержа-
нием в ней солей в агрегатах производства аммиака осуще-
ствляется полное ее химическое обессоливание. Вода при этом
проходит первую ступень Н-катионирования (до проскока ионов
натрия), первую ступень ОН-анионирования (удаление анио-
нов сильных кислот слабоосновным анионитом), вторую ступень
Н-катионирования (улавливание в проскоке ионов натрия), де-
карбонизатор (удаление СО2), вторую ступень ОН-анионирова-
ния (улавливание сильноосповным анионитом кремниевой кис-
лоты, остатков свободной СО2 и проскоков анионов сильных
кислот), фильтр смешанного действия (ФСД), который являет-
ся как бы барьерным фильтром для повышения эффекта обес-
соливания и обескремнивания воды на основных фильтрах.
Фильтры смешанного действия загружают смесью катионитов
и сильноосновного анионита.
Установка ФСД позволяет также более экономично эксплуа-
тировать вторую ступень анионирования за счет увеличения до-
пустимого проскока, что повышает емкость поглощения аниони-
та и снижает расход щелочи.
В импортных агрегатах полное химическое обессоливание
осуществляют по более простой схеме: одна ступень Н-катио-
нирования— декарбонизация — одна ступень ОН-анионирова-
ния—-фильтры смешанного действия. Такая схема менее капи-
талоемкая, требует установки меньшего числа оборудования,
13*
195
меньших размеров установки. Однако, на таких установках
энергоматериальные затраты на 40—50% выше, чем на отече-
ственных, из-за повышенных расходов щелочи и кислоты, ис-
пользуемых на регенерацию ионитов.
Обработка конденсатов
В общем расходе воды, поступающей в систему парообра-
зования, агрегата производства аммиака, около 50% составля-
ет турбинный конденсат, который чистят только от продуктов
коррозии.
Соединения железа в конденсатах представлены, в основном,
оксидами и гидроксидами. Труднорастворимые оксиды и гидр-
оксиды железа находятся в воде в грубодисперсном, коллоид-
но-дисперсном состояниях, есть продукты коррозии железа, на-
ходящиеся в истинно растворенном состоянии.
Концентрация продуктов коррозии в конденсатах бывает
различной. Так, в пусковой период концентрация железа может
составлять 1500—3000 мкг/л. Конденсат с повышенным содер-
жанием железа сбрасывают и на копденсатоочистку не подают.
При нормальной работе агрегата аммиака содержание продук-
тов коррозии в турбинном конденсате составляет 10—20 мкг/л.
Во всех агрегатах производства аммиака турбинный кон-
денсат вместе с подпиточной водой после обработки ее на иони-
тах проходит очистку на фильтрах смешанного действия
(ФСД). Однако на ряде импортных агрегатов он предваритель-
но перед подачей на ФСД подвергается обработке, проходя
последовательно целлюлозные фильтры и нерегенерируемые
параллельноточные катионитовые фильтры, заполненные смо-
лой КУ-2-8.
В отечественных агрегатах паровой конденсат перед подачей
на ФСД обрабатывают на Н-катионитовых фильтрах.
Оборудование фильтровальных установок
Ионитные фильтры по принципу действия можно разде-
лить на три типа: катионитные; анионитные; смешанного дей-
ствия.
Поскольку все фильтры независимо от их назначения долж-
ны обеспечивать нормальное прохождение двух циклов — рабо-
чего и цикла восстановления истощенного фильтра — они име-
ют одинаково выполненные конструкции элементов, различаясь
лишь в отдельных деталях.
Корпус напорного фильтра представляют собой стальной
сварной цилиндр, максимальный диаметр фильтра, обусловлен-
ный условиями транспортирования его в собранном виде по
железной дороге, составляет-3,4 м. Внутренняя поверхность
корпуса фильтра, контактирующая с агрессивной средой, имеет
196
Рис. 3.7. Фильтр смешанного действия.
противокоррозионное защитное покры-
тие, в качестве которого применяют
преимущественно гуммирование.
Наиболее ответственными элемен-
тами фильтров являются распредели-
тельные устройства. Они предназна-
чены для обеспечения равномерного
распределения по площади фильтро-
вания проходящей через фильтр в те-
чение его рабочего цикла обрабаты-
ваемой воды, а также потоков воды и
растворов реагентов, пропускаемых
через фильтр в течение цикла его ре-
генерации.
Распределительные устройства
должны предотвращать также унос
зернистой загрузки в дренаж во вре-
мя взрыхляющих промывок ее, а так-
же проникновение ее в трубопровод
обработанной воды в период рабочего
цикла фильтра.
На рис. 3.7 показан общий вид фильтра смешанного дей-
ствия (ФСД) диаметром 2000 мм (производства Таганрогского
котельного завода).
Декарбонизаторы—-аппараты скрубберного типа, служащие
для удаления свободной углекислоты, выделяющейся в процес-
сах Н-катионирования.
В водоподготовительных установках агрегата производства
аммиака принято использовать декарбонизаторы с насадкой из
колец Рашига. В импортных агрегатах применена насадка Ин-
талокс.
Установки ионитной очистки оснащают также оборудованием
для регенерации смол и вспомогательным оборудованием, необ-
ходимым для ее нормальной эксплуатации (баки для приема и
хранения серной кислоты и щелочи, насосы для приготовления
регенерационных растворов, отстойники сбросных вод и др.),
емкостное хозяйство для хранения частично и полностью обес-
соленной воды.
Расчет оборудования ионитных установок осуществляют по
нормативным данным исходя из производительности установки,
качественного состава воды, поступающей на установку, требо-
ваний, предъявляемых к обессоленной воде.
Ниже приведены некоторые технические характеристики ус-
тановок обессоливания, используемых в импортных (варианты
№ 1 и № 2) и отечественных (ОТ) агрегатах производства ам-
миака при примерно одинаковом качестве исходной воды и оди-
наковых требованиях к обессоленной воде [95].
197
Показатель от № 1 № 2
Количество обессоленной воды после ФСД на
1 агрегат производства аммиака, м3/ч . 150 140 145
Диаметр катионитных фильтров, мм . . . 3400 3050 2900
Диаметр анионитных фильтров, мм ... . 3400 2745 2600
Диаметр ФСД, мм 2000 3355 1900
Обменная емкость, г-экв/м3
катионита . ... ж .... . 600 • 592 630
анионита .... 500 670 553
Расход на 1 м3 обессоленной воды, кг/м3
H2SO4 . 0,44 0,75 1,17
NaOH 0,38 1,09 1,0
Расход воды, на собственные нужды, % 35 38 55
Система получения и распределения пара
Схема крупнотоннажного агрегата производства аммиака
построена по энерготехнологическому принципу с максималь-
ным использованием тепла реакций на различных стадиях про-
цесса. Количество вырабатываемого пара определяется энерге-
тическими и технологическими потребностями установки, а его
параметры — возможностями оборудования как генерирующего
пар, так и его использующего.
Для получения пара в необходимом количестве, помимо ис-
пользования тепла реакций процесса, схемой предусмотрено
дополнительное сжигание природного газа в качестве топлива
во вспомогательном котле. Вспомогательный котел обеспечива-
ет устойчивую работу всего агрегата при различных изменениях
технологического процесса и при пуске агрегата.
Кроме того, в агрегате устанавливают автономный пуско-
вой котел, который является источником пара в начальный
период пуска до ввода в работу вспомогательного котла, а за-
тем, наряду со вспомогательным котлом, обеспечивает потреб-
ность системы в паре на различных стадиях пуска.
Схема производства и распределения пара
Схема производства пара предусматривает получение в
агрегате перегретого пара под давлением 100-105 Па при 482°C.
Принципиальная схема получения пара представлена на
рис. 3.8. Питательная вода после деаэратора 12 насосами 9
с давлением ~120;10s Па распределяется на три подогревате-
ля воды, в двух из них она подогревается теплом газа техноло-
гических потоков (после метанатора — в теплообменнике 11
и колонны синтеза аммиака — в теплообменнике 14), в третьем
осуществляется подогрев воды дымовыми газами в конвектив-
ной части трубчатой печи 17.
Подогретая до 280—310 °C вода поступает в паросборник 6.
Паросборник системой подводящих и отводящих труб связан
198
Рис. 3.8. Принципиальная схема получения пара:
1 — продувочная емкость; 2, 3, 4, 5 — котлы-утилизаторы; 6 — паросборник; 7 — пусковой
котел; 8 — вспомогательный котел; 9, 10 — насосы; 11, 13, 14, 17, 18 — теплообменники;
12 —. деаэратор; 15, 16 — пароперегреватели.
с испарительными поверхностями, где происходит генерация па-
ра. Пароводяная эмульсия от котлов через отводящие трубо-
проводы поступает в паросборник для отделения пара и его
сепарации.
Для получения пара используют тепло технологического га-
за (котлы-утилизаторы после вторичного риформинга 2, 5, 4
и после конверсии оксида углерода Пой ступени 3) и тепло
сжигаемого природного газа (вспомогательный котел 8, кон-
структивно совмещенный с трубчатой печью). Перегрев пара до
482 СС осуществляют в пароперегревателях 1-ой и II-ой ступе-
ни 15 и 16, расположенных в конвективной части трубчатой
печи. Непрерывную продувку паросборника производят через
емкость 1, откуда пар вторичного вскипания направляется в
коллектор пара (Р = 3,5-105 Па). Для подачи воды в паросбор-
ник устанавливают два насоса — рабочий и резервный. В каче-
стве приводов насосов используются турбины, на которые по-
дается пар давлением 40,5-105 Па при 371 °C. Подогрев воды
до деаэрации осуществляют в теплообменниках 13 и 18, где
используется тепло технологических потоков.
Для обеспечения паром в пусковой период в агрегате уста-
навливают пусковой котел 7, работающий на природном газе,
в котле вырабатывается пар с давлением 40-105 Па и темпера-
турой 371 °C. Питательная вода на пусковой котел подается от-
дельным насосом 10 с электроприводом.
199
На вспопогательные
цели
Коплектоа пара
3,S-Ksi;a‘ 299°С
£ | | flap со стороны или на торону
Коллектор пора H}O-IOsHa,482°C
Рис. 3.9. Принципиальная схема распределения пара:
1А, 1Б — турбина компрессора еннтез-газа; 2 — турбина компрессора воздуха; 3 — турби-
на компрессора природного газа; 4 — турбина питательного насоса; 5 — турбина аммиач-
ного компрессора; 6, 7 — редукционно-охладительные установки <РОУ); 8 — воздушные
конденсаторы.
Принципиальная схема распределения пара приведена на
рис. 3.9.
Пар из коллектора пара (Р=100-105 Па, i/=482°C) посту-
пает в турбину компрессора синтеза-газа, состоящую из двух
частей. Большая часть пара при давлении 40- 10s Па и темпера-
туре 371 °C отбирается из турбины компрессора синтез-газа и
используется в качестве технологического в процессах конвер-
сии углеводородов и в конденсационных турбинах для приводов
компрессоров воздуха 2, природного газа 3, питательного насо-
са 4, аммиачного компрессора 5. Другая, меньшая часть, с дав-
лением 40,5-105 Па идет в конденсационную часть турбины
компрессора синтез-газа. Из коллектора пар под давлением
40-105 Па отбирают также для турбин с противодавлением:
приводов дымососов печи, конденсатных насосов и насосов сма-
зочного и уплотнительного масла.
После турбин с противодавлением пар поступает в коллек-
тор, из которого часть пара отбирают для паровых спутников,
в деаэратор и отпарную колонну. При необходимости некоторое
количество пара редуцируют в коллектор давления 3,5 -105 Па
из коллектора давления 40-10s Па через редукционно-охлади-
тельную установку 6 (РОУ). Для поддержания в коллекторах
давления пара 100-105 Па и 40-10s Па при увеличении отбора
пара выше номинального и нарушениях нормального технологи-
ческого режима используют РОУ 7, которая состоит из систем
регулирующих клапанов.
200
Основное паросиловое оборудование
Котел-утилизатор I-ой ступени (см. рис. 2.18) —вертикаль
пый кожухотрубчатый аппарат с трубками Фильда, по которым
циркулирует пароводяная смесь. В межтрубном пространстве
охлаждается газ после вторичного риформинга. Корпус котла
изготавливают из качественной углеродистой стали. Он защи-
щен от воздействия высоких температур раза футеровкой, ко-
торая имеет внутренний плакирующий слой из высоколегиро-
ванного сплава (типа инколой). Внутренние и наружные труб-
ки теплообменной поверхности изготавливают либо из стали
с содержанием до ~0,5% молибдена, либо из стали типа
15ХМ. В агрегате устанавливают два параллельно работающих
котла-утилизатора.
Котел-утилизатор П-ой ступени (см. рис. 2.19)—вертикаль-
ный кожухотрубчатый аппарат, где газ отдает свое тепло, про-
ходя по трубкам котла. Материалы, из которых изготовляют
корпус котла и трубчатки, принципиально не отличаются от
тех, которые используют для изготовления котлов-утилизаторов
I-ой ступени.
Котел-утилизатор после конверсии оксида углерода I-ой сту-
пени (рис. 3.10)—горизонтальный кожухотрубчатый аппарат,
в котором газ проходит трубное пространство. Для изготовле-
ния его используются те же материалы, что и для описанных
выше котлов-утилизаторов.
Вспомогательный котел (рис. 3.11) барабанного типа изго-
товлен из углеродистой стали, снабжен пятью горелками для
сжигания природного газа, конструктивно совмещен с трубча-
той печью. Нагрузка на котлы изменяется в зависимости от
потребности пара. Естественная циркуляция в котле осущест-
вляется по четырем контурам: радиационному, радиационно-
конвективному, конвективному с гладкими и с оребренными
трубами. Коллекторы змеевиков соединены с паросборником
Рис. 3.10. Котел-утилизатор после конверсии оксида углерода:
/ — корпус; 2 — входная камера; 3, 4 — трубные доски; 5 — выходная камера.
201
Рис. 3.11. Вспомогательный котел:
1 — каркас; 2 — теплоизоляционная футеровка; 3 — камера радиационно-конвективного на-
грева; 4 площадка обслуживания; 5— горелки; 6—пружинные опоры трубных экранов;
7 — верхние и нижние барабаны и нижиие барабаны трубных экранов и пучков; 8 —«
теплоизоляция из жароупорного бетона; 9 — соединительный горизонтальный газоход;
10 — вертикальный газоход; 11— оребренные трубные пучки конвективного нагрева; 12 ~
трубные экраны радиационио-коивективного нагрева.
подъемными и спускными трубами. Все котлы имеют один па-
росборник, изготавливаемый из углеродистой стали (рис. 3.12),
в котором размещены циклоны-сепараторы для отделения па-
ра от воды, циклоны для подачи свежей питательной воды и
сепарационное устройство для уменьшения брызгоуноса с па-
ром, уходящим из паросборника.
Все котлы с естественной циркуляцией. Расчеты по опреде-
лению кратности циркуляции и ее надежности описаны ниже.
В замкнутом контуре (рис. 3.13), на некоторой части кото-
рого производится пар, плотность среды в подъемных и опуск-
ных линиях различна, и возникает естественная циркуляция.
Контур работает надежно, если обеспечиваются достаточно хо-
рошие условия теплопередачи во всех обогреваемых его участ-
ках.
202
Разница в значениях плотностей среды в опускных и подъем-
ных трубах создает движущий напор, который для вертикаль-
ных каналов определяется из соотношения
ДВдВ — S (pz — Рем) h (3.23)
где Л —высота участка трубы, м; рСм — средняя истинная плотность среды
на этом участке, кг/м3; р' •— плотность воды в опускных трубах, кг/м3; g —
ускорение силы тяжести, м/с2.
рем = (1 — ф) Р' + ФР" == р' — ф (р' — р") (3.24)
ДВда=£ф(р'-р")Л (3-25)
где ф — доля пара; р" — плотность пара, кг/м3.
Движущий напор возникает на участках парообразования
и в необогреваемых наклонных и вертикальных трубках, если
по ним движется пароводяная смесь и они расположены ниже
уровня жидкости в барабане.
Движущий напор, возникающий в части контура, по которой
движется парожидкостный поток (на участках с высотами /гое
и Лем), расходуется на преодоление местных сопротивлений,
а также потерь на трение и ускорение во всем контуре. Часть
этого напора ЛРСопрп ч к расходуется на преодоление сопротив-
лений в подъемной части контура. Движущий напор, уменьшен-
ный на величину этих гидравлических потерь, называется по-
лезным напором
АВПоЛН — А^двпж — Д^сопгГ (3.26)
Определенный таким образом полезный напор целиком рас-
ходуется на преодоление гидравлических потерь в подводящих
линиях. Для данного контура при определенных значениях теп-
ловых потоков величины движущего и полезного напоров, так-
же как и гидравлических потерь, определяются величиной мас-
совой скорости (о>о) или скорости циркуляции (рис. 3.14). Чем
больше coo, тем ниже ДРДВ и ДРПОлн и выше гидравлические по-
тери.
В установившемся режиме должны иметь место равенства
А^ДВИЖ — 2АРг.п (3-27)
Рис. 3.12. Паросборник:
J — патрубки опускных водяных труб; 2 — патрубки подъемных труб пароводяной смеси;
3 — патрубки вывода насыщенного пара; 4 — сепараторы пароводяной смеси; 5 — жалюзи.
203
А^полн— А^о.ч (3-28)
где ЕДРр.п и ЗДРо.ч — сумма гидравлических потерь во всем контуре и в
опускной части его соответственно.
Расчеты проводят при различных скоростях циркуляции. На
основании расчетов строят кривые ДРПолн=/(«о) и 2АРо.ч==
=/(соо), точка пересечения которых дает искомое значение ско-
рости циркуляции для данного контура (оконт.
После того как определена скорость циркуляции, легко уста-
новить значение массового расходного паросодержания на вы-
ходе из испарительного участка
^вых = G" /G = р"й>о"/р'с>о
И кратность циркуляции 7?=1/хВых.
Так как подъемные трубы контура выведены в общий кол-
лектор, контур работает устойчиво, если нет застоев и опроки-
дывания циркуляции (проверяется соответствующими расче-
тами) .
Для обеспечения агрегата производства аммиака паром в
пусковой период устанавливают пусковой котел (рис. 3.15), его
паропроизводительность до 45 т/ч, рабочее давление 40-105 Па,
температура пароперегревателя 440°C. Его производительность
определяют исходя из общей системы получения и распределе-
ния пара в агрегате производства аммиака.
Котел однобарабанный с естественной циркуляцией, выпол-
нен по П-образной схеме. На фронтовой стенке расположены
четыре газомазутные горелки. Схема испарения — двухступен-
Рис. 3.13. Схема простейшего циркуляционного контура:
^прев — высота превышения подъемной трубы над уровнем паросборника; йно — высота
необогреваемой части подъемной трубы до уровня в паросборнике с пароводяной эмуль-
сией; ho6 — высота обогреваемой части подъемной трубы; йсм — высота необогреваемой
части подъемной трубы с водой; йполн — полная высота контура до уровня в паросбор-
нике.
Рис. 3.14. Зависимость скорости циркуляции от напора и сопротивления в опускных
трубах:
Л’дв — Движущий иапор пароводяной смеси в подъемной части циркуляционной трубы;
Ркп — сумма гидравлического сопротивления циркуляционного контура; w0 — скорость
веды в опускных трубах.
204
Рис. 3.15. Пусковой котел:
1 — сборный коллектор; 2 — паровой экран ра-
диационной камеры; 3 — паросборник; 4 — па-
ровой экран конвективной камеры; 5 — горе-
лочное устройство; 6 — паросборник.
чатая. Первая ступень — барабан диаметром 1500 мм, оборудо-
ванный внутри барабанными циклонами. Второй ступенью испа-
рения служат выносные циклоны диаметром 377 мм.
Пар в котле получают по следующей схеме.
Деаэрированная вода из общей деаэрационной установки с
температурой 102 °C забирается питательным насосом в коли-
честве до 65 м®/ч и нагнетается в трубопровод питательной во-
ды, откуда поступает в питательный узел котла. Далее от узла
питания она направляется в водяной экономайзер котла, а за-
тем при 273 °C поступает в водяной барабан. Из верхнего бара-
бана по спускным трубам вода попадает в экраны, где превра-
щается в пароводяную эмульсию, и поднимается опять в бара-
бан. В барабане происходит сепарация пара, после чего он по-
ступает в пароперегреватель, состоящий из двух частей. Регу-
лирование температуры перегрева пара происходит в пароохла-
дителе поверхностного типа, который установлен в рассечку
между первым и вторым пакетами пароперегревателя. В каме-
ре пароохладителя расположены змеевики труб диаметром
25X3 мм, по которым проходит питательная вода, являющаяся
хладоагентом.
205
Пар из барабана котла по трубам диаметром 38X3 мм, рас-
положенным под пароперегревателем, поступает во второй (по
ходу газов) пакет пароперегревателя и, пройдя по змеевикам,,
попадает в пароохладитель. Из пароохладителя пар поступает
в первый (по ходу газов) пакет пароперегревателя и, пройдя
по змеевикам, попадает в выходной коллектор с температурой
44О°С, откуда п выдается в главный паропровод.
Гак как для технологии требуется пар с температурой не
ниже 370 п пе выше 380°C, на главном паропроводе котельной
установлена охлаждающая установка (ОУ), в которой за счет
впрыска питательной воды пар охлаждается до температуры
380 °C и выдается к потребителям.
Природный газ с давлением (3,5—4,0) • 105 Па редуцируется
и с давлением (1,2—1,3) -105 Па поступает в горелки. Дымовые
газы, пройдя поверхности нагрева, охлаждаются до температу-
ры 130 °C и выбрасываются в дымовую трубу дымососом типа
Д-15,5. Их количество составляет 3800 м3/ч.
Холодный воздух с температурой не ниже 30 °C (предвари-
тельно подогретый в калориферах, установленных перед кот-
лом) нагнетается вентилятором в воздухоподогревателе откуда
с температурой 123 °C поступает в газовые горелки.
Технические требования к работе системы получения пара.
Устойчивая работа системы парообразования обусловливает
надежную работу всего агрегата производства аммиака.
Для предотвращения образования отложений в пароводяной
системе устанавливают определенные требования к чистоте па-
ра, конденсата, питательной воды и котловой воды, определяют
режим продувки котлов, а также предусматривают конструктив-
ные мероприятия по уменьшению брызгоуноса котловой воды
с паром (сепарация).
Для снижения коррозии в системе предусматривается жест-
кое ограничение концентрации кислорода и углекислого газа в
питательной воде и поддержание повышенного значения pH.
Качество вырабатываемого пара определяется наличием в
нем как летучих, так и нелетучих примесей. Летучими приме-
сями являются газы: кислород, азот, углекислый газ и аммиак.
За исключением углекислого газа все они не образуют от-
ложений в паровом тракте.
Нелетучие примеси — это различные твердые вещества, рас-
творенные или взвешенные в воде, из которой получают пар.
Они образуют отложения в паровом тракте. Наиболее чувстви-
тельна к влиянию отложений паровая турбина: при отложении
на лопатках всего несколько килограммов осадка турбина сни-
жает свою мощность. При этом наибольшее влияние оказыва-
ют отложения в головной части турбины, где плотность пара,
приходящаяся на единицу поверхности лопаток, наивысшая.
При значительном содержании солей в насыщенном паре отло-
жения могут появиться и в трубах пароперегревателя. Примеси,
содержащиеся в паре, образуют тонкие отложения в арматуре
206
паропроводов и регулирующих клапанах турбин, в результате
чего они становятся неплотными.
Поведение в системе парообразования малолетучих примесей
(в основном соединений кремния и веществ, образующихся при
коррозии конструкционных материалов), т. е. их распределение
по контуру и образование ими отложений, зависит, в частности,
от химического состава и степени дисперсности примесей при
конкретных параметрах пара
Соли откладываются из пересыщенных растворов. Они наи-
более прочно сцеплены со стенкой металла при непосредствен-
ной кристаллизации их на поверхности.
Поскольку непосредственная кристаллизация может проис-
ходить лишь из пересыщенных растворов воды или пара, на
растворимость веществ влияют, в основном, такие факторы, как
температура, плотность и pH среды. Так называемое вторичное
образование отложений, прикипание, происходит за счет прили-
пания к поверхности контура уже имеющихся или образовав-
шихся в объеме системы коллоидных или грубодисперсных час-
тиц твердой фазы, т. е. шлама. Этот процесс в сравнительно не-
большой степени зависит от изменения температуры, однако на
него значительное влияние оказывают такие факторы, как гид-
родинамика потока, режим кипения и тепловые нагрузки.
Вторичные отложения обычно значительно слабее связаны
с поверхность^ стенки. Такие отложения не могут образовы-
ваться на активно омываемых поверхностях турбины. Они име-
ют, как правило, более пористую структуру, чем продукты непо-
средственной кристаллизации.'
Кремниевая кислота относительно хорошо растворима в па-
рах воды, и при обычных кремнесодержаниях пересыщение по-
следнего наступает только при давлении ниже 10-105 Па.
Растворимость мономерных форм кремниевой кислоты
(H4SiO4, H2SiOs), которые образуются в результате деполиме-
ризации поликремниевых кислот, в воде и водяном паре до-
вольно хорошо изучена, она изменяется в широких пределах в
зависимости от плотности, температуры и pH раствора
(рис. 3.16) [96].
Исходя из опыта эксплуатации большого числа установок
высокого давления, считают допустимым содержание в паре до
20 мкг/кг кремниевых кислот.
Долю хорошо растворимых в воде соединений (в основном
соли Na), постоянно накапливающихся в турбине, установить
Рис. 3.16. График зависимости
растворимости SiO2 (кварца) в
воде (pH=7) от температуры.
207
трудно, так как при каждых пуске и остановке турбины значи-
тельная часть таких отложений смывается влажным паром. Со-
держание иона Na в паре обычно допускается до 50 мкг/кг. Со-
держание меди в паре не должно превышать 1 мкг/кг. Однако,
в производстве аммиака, в системе парообразования и конден-
сации пара попадание соединений меди в пар маловероятно.
В воде теплоэнергетических установок присутствуют различные
формы оксидов железа.
Основными параметрами, определяющими вероятность пре-
имущественного существования той или иной формы, являются
температура, pH и окислительно-восстановительный потенциал
(в основном — концентрация кислорода) [96]. Термодинамиче-
ски наиболее устойчивыми и поэтому преобладающими в цик-
лах обычных паросиловых установок (при температуре ниже
570 °C) являются ферроферрит Fe3O4 (магнетит) и его гидрат-
ные формы. Они образуются при температурах выше 200 °C:
3Fe 4- 4Н2О -> Fe3O4 + 4Н2 (3.29)
а при более низких температурах — через стадии образования
промежуточного продукта Fe(OH)2
3Fe(OH)2 -—> Fe3O4 + Н2 + 2Н2О (3.30)
Уменьшение содержания оксидов железа в парах воды вы-
сокого давления связано с большими трудностями, так как да-
же при очень малой концентрации железа в питательной и кот-
ловой воде его содержание в паре, поступающем в турбину,
может быть значительным как за счет выноса железа с насы-
щенным паром, так и за счет выноса продуктов коррозии.
По мере снижения концентрации железа в свежем паре зо-
на начала отложений! смещается в область более высоких дав-
лений. Содержание железа в паре не должно превышать
10 мкг/кг.
Кальций и магний образуют с рядом распространенных
анионов труднорастворимые соединения, приводящие к образо-
ванию на поверхности нагрева твердых кристаллических отло-
жений— накипи. Соли кальция и магния могут переходить в
пар в заметных количествах только при бесфосфатном водном
режиме. Основная масса должна выпадать в осадок в зоне пер-
вых ступеней турбины, поэтому допустимая концентрация их
невелика. С другой стороны, они заметно растворимы в горячей
воде, и поэтому могут смываться при пусках и остановках, хо-
тя и не так легко, как соли натрия.
Общее солесодержание пара не должно превышать 0,1 мг/кг.
Качество пара в барабанных котлах зависит как от величины
уноса капелек котловой воды насыщенным паром, так и от
правильной организации водного режима котельного агрегата
и качества исходной воды.
208
Причины загрязнения пара
Унос капельной влаги паром. Отделившийся от жидкости
в объеме парогенератора пар не является в полном смысле су-
хим насыщенным паром, так как содержит в себе некоторое
количество капельной влаги. Эта влага попадает в паровой
поток при разрушениях струй и разрыве оболочек паровых пу-
зырей. Уносимая влага приводит к загрязнению пара вещества-
ми, содержащимися в жидкой фазе — котловой воде. Во избе-
жание этого предусматривается сепарация пара. Сепарация за-
хватываемой паровым потоком капельной влаги проводится
непосредственно в паровом объеме аппарата.
, При дроблении жидкости образуются капли различных раз-
меров. Более крупные капли под влиянием начальной кинети-
ческой энергии, полученной в процессе дробления, забрасывают-
ся на большую высоту. Подбрасываемые капли или уносятся
потоком пара, или падают назад на зеркало испарения. Если
высота, на которую забрасывается капля, больше высоты паро-
вого пространства или примерно равна ей, то такая капля мо-
жет быть затянута в пароотводящие трубы (где скорость пара
значительно выше, чем в паровом пространстве аппарата) и
вынесена из паросборника. Кроме того, из него, выносятся так-
же капли, размеры которых таковы, что они могут транспорти-
роваться потоком в паровом объеме аппарата. Капли свободно
перемещаются потоком, когда скорость их соо" выше скорости
витания ©вит, т. е. такой скорости, при которой силы трения
уравновешивают силу тяжести капли [97].
Влияние состава котловой воды на унос влаги при барбота-
же. Сепарация. Солесодержание котловой воды определяет со-
держание солей в паре. На рис. 3.17 |[96] приведены кривые,
характеризующие изменение солесодержания пара и коэффи-
циента уноса в зависимости от солесодержания котловой воды
при постоянных давлении и скорости витания капель. Из гра-
фика видно, что при увеличении солесодержания котловой воды
до некоторой величины, называемой критической, солесодержа-
пие пара увеличивается пропорционально солесодержанию кот-
ловой воды, т. е. коэффициент уноса остается постоянным. При
достижении критических значений солесодержания котловой
Рис. 3.17. Изменение солесодержания
пара и коэффициента уноса в зависи-
мости от солесодержания котловой во-
ды при постоянной приведенной скоро-
сти пара:
/ — солесодержание пара; 2 — коэффи-
циент уноса.
Солесодержание катал обой воды,'
мг/кг
14—831
209
Рис. 3.18. Внутрибарабанный
циклонный сепаратор:
1 — подъемные трубы; 2 —
короб; 3 — опускные трубы;
4 — набор гофрированных
жалюзи; 5 — пароотводящие
трубы; 6 — циклон.
воды наблюдается резкое увеличение как солесодержания па-
ра, так и коэффициента уноса.
Величина критического солесодержания зависит от давления
и состава растворенных и взвешенных в воде веществ в част-
ности от наличия в воде взвешенных мелкодисперсных частиц,
например, гидроксида железа и др. Величина критического со-
лесодержания уменьшается с ростом давления и неодинакова
для различных солей.
При содержании в котловой воде нескольких компонентов
расчетное значение критической концентрации смеси определя-
ется по закону аддитивности, т. е. исходя из условия, что каж-
дый компонент производит в смеси такое же воздействие, что
и в однокомпонентном растворе. Критические солесодержания
котловой воды и допустимые нагрузки в значительной степени
зависят также от высоты парового пространства.
В барабанах парогенераторов условия, при которых должно
осуществляться отделение пара из пароводяной смеси, посту-
пающей из кипятильных труб, существенным образом влияют
на условия сепарации жидкости. Пароводяная смесь поступает
в барабан из труб, расположенных в некоторых местах по пе-
риметру барабана. Отборы пара сосредоточены в нескольких
точках у верхней образующей барабана, а площади живых се-
чений барабана на пути пара от зеркала испарения к отбор-
ным трубам переменны.
Все это ухудшает условия отделения жидкости от пара (се-
парации) из-за интенсивного дробления жидкости за счет высо-
кой кинетической энергии струй и повышенных скоростей пара
вследствие неравномерного его подвода и отбора.
Для устранения отрицательного влияния этих неблагопри-
ятных факторов и обеспечения высокой чистоты пара в агрега-
210
тах производства аммиака за счет объемной сепарации внутри
барабанов устанавливают дополнительные сепарационные уст-
ройства циклонного типа.
Схема сепарационного устройства с внутрибарабанными
циклонами показана на рис. 3.18. Пароводяная смесь из подъ-
емных труб 1 поступает в.короб 2 и через входные штуцера
тангенциально подводится во внутреннюю полость циклона 6,
где осуществляется первая ступень сепарации. Пленка жидкости
стекает по внутренней поверхности циклона вниз через коль-
цевой зазор между корпусом и днищем. Расположенные в этом
зазоре направляющие лопатки преобразуют вращательное дви-
жение воды в осевое.
Пар, отделившийся в циклоне от основной массы влаги, дви-
жется вверх, при этом осуществляется вторая ступень сепара-
ции. Для равномерного распределения пара по сечению цикло-
на в верхней его части устанавливают жалюзи.
Циклоны устанавливают так, чтобы при самом высоком по-
ложении уровня вода в барабане не поднималась выше середи-
ны входного патрубка циклона. При самом низком положении
уровня в барабане нижняя часть циклона должна оставаться
погруженной в воду на глубину, достаточную для создания
гидравлического затвора, чтобы не допустить прорыв пара через
нижнюю щель циклона и его барботаж через водяной объем ба-
рабана. Перед выходом пара из паросборника, непосредственно
у пароотводящих труб 5 устанавливаются жалюзийные решет-
ки, которые являются третьей ступенью сепарации.
Фосфатирование и продувка котла. Для предотвращения об-
разования накипи на поверхностях котла при возможных про-
скоках ионов кальция и магния в паросборник подают фосфаты
натрия и поддерживают концентрацию ионов РОа3- на уровне,,
обеспечивающем выпадение Са в виде фосфатного шлама. Со-
держание ионов РО43- должно поддерживаться в котловой во-
де на уровне 10—15 мг/кг.
Правильное регулирование продувки котла очень важна
при эксплуатации системы, так как продувкой регулируется ко-
личество солей в котельной воде. Если продувка мала, то уве-
личивается возможность попадания осадка в пар. Чрезмерно
высокая продувка приводит к перерасходу топлива и питатель-
ной воды. Расход продувочной воды зависит от того, как высо-
ко содержание солей и какой уровень солей допускается для
данной системы. Величина продувки (П) выражается в процен-
тах к производительности
П = 100% (3.31)
где Z)np — расход продувочной воды, т/ч; D — номинальная паропроизводи-
тельность, т/ч.
Расход питательной воды при наличии продувки повышается
Рп.в=Я + £пр (3-32)
14*
211
Солевой баланс системы перепроизводства определяется сле-
дующим соотношением:
^Н.В^П.В = -р Dnp^np (3.33)
ИЛИ
(100 + Р) SnB = 100Sn + PSnp (3.34)
где Sh.b — солесодержание питательной воды, мг/кг; Snp — солесодержание
продувочной воды, мг7кг; Sn — солесодержание пара, мг/кг.
В агрегатах производства аммиака продувку осуществляют
непрерывно, по простейшей схеме (без ступенчатого испаре-
ния). Паровая система работает при концентрации железа в
котловой воде, превышающей предел растворимости, т. е.
в шламовом режиме.
Содержание кремнезема в котловой воде является определя-
ющим при проведении режима продувки. Максимально допу-
стимое содержание кремнезема должно быть не выше 3,5 мг/л.
Для нормального режима работы содержание кремнезема долж-
но составлять 1 мг/л. При этом общее содержание растворен-
ных солей не должно превышать 200 мг/л, так как большое их
количество может служить причиной вспенивания и механиче-
ского уноса. Общий расход продувочной воды должен состав-
лять 1—3% от поступающей воды.
В течение пускового периода содержание взвешенных час-
тиц железа в общем солесодержании может быть намного вы-
ше, продувку можно частично или полностью основывать на
концентрации железа. До тех пор, пока чистота котловой воды
не достигнет нормального уровня, давление в котле должно
быть не выше 35-105 Па, а паровая нагрузка минимальной.
После того как чистота котельной воды будет нормальной, час-
тота продувки может быть уменьшена, а давление в системе
постепенно повышено.
Растворимость примесей в паре. При высоком давлении как
насыщенный, так и перегретый водяной пар растворяет нелетучие
соединения, содержащиеся в питательной воде, причем раство-
ряющая способность пара с повышением давления возрастает.
При этом содержание в нем некоторых растворенных веществ
становится соизмеримым и даже во много десятков и сотен раз
превышает их содержание за счет механического уноса капель
котловой воды. Разные соединения растворяются в паре изби-
рательно. Так, сильные электролиты — гидроксиды щелочных
и щелочноземельных металлов и слабогидролизуемые соли
практически не переходят в пар, так как их растворимость
высока. При хорошей сепарации пара от воды концентрация
этих примесей в паре обычно менее 0,05—0,1%. В этих условиях
при обычной величине продувки основная масса солей удаляет-
ся с продувкой, так как концентрация их в продувочной воде
.в 1000—2000 раз выше, чем в паре {96].
Слабые электролиты, к которым относятся кремниевая кис-
лота и почти все продукты коррозии, переходят в пар в замет-
212
ной степени. Так, например, степень распределения между па-
ром и водой при давлении в барабане 98-105 Па для кремне-
кислоты более Г%, а для оксидов железа доходит до 10%
[96], поэтому для них продувка мало эффективна. Однако, ес-
ли концентрации этих соединений больше концентраций насы-
щения, то их избыток выпадает в виде шлама, который уносит-
ся только с капельками влаги, т. е. весьма слабо. В этом случае
эффективность продувки сильно возрастает, так как с ней уда-
ляется шлам. Кроме необходимости поддержания чистоты пара
задачей правильной организации водного режима является так-
же предотвращение образования отложений, угрожающих це-
лостности стенок поверхностей нагрева пароводяного тракта, и
предотвращение коррозионных процессов в пароводяном тракте.
Коррозия паросилового оборудования
и основные мероприятия по ее предотвращению
В системах паропроизводства энерготехнологических агре-
гатов могут иметь место следующие виды коррозионных пов-
реждений:
электрохимическая (кислородная, аэрационная);
сочетание химической и электрохимической (щелочная, кор-
розия под действием продуктов сгорания топлива, окисление
стали кислородом воздуха при высоких температурах);
химическая (пароводяная).
Значительная коррозия оборудования в системе паропроиз-
водства наблюдается в тракте питательной воды, причиной чего
является коррозионная агрессивность соприкасающейся с ним
химически обработанной воды. Равномерная коррозия металла
в системе парообразования обычно не интенсивна, большую
опасность представляет местная коррозия.
Основными мероприятиями по предотвращению коррозии
оборудования являются:
термическая деаэрация питательной воды, позволяющая по-
лучать деаэрированную воду с остаточным содержанием кис-
лорода и диоксида углерода, не превышающим допустимых
норм;
постоянная обработка питательной воды гидразином для
связывания остаточного кислорода после термических деаэра-
юров;
постоянная обработка питательной воды щелочными реаген-
тами, в результате чего поддерживается оптимальное значение
pH питательной воды;
качественная предпусковая химическая очистка системы па-
рообразования и пассивация поверхности металла.
Деаэрация питательной воды. Основной целью удаления из
воды растворенных в ней газов является предотвращение кор-
розии оборудования. Одновременно с этим достигается некото-
рое повышение эффективности работы аппаратуры, использую-
213
щей пар (конденсаторы турбин, различные подогреватели
и т.п.), вследствие снижения содержания в паре неконденси-
рующихся газов, ухудшающих теплопередачу.
В воде, поступающей на питание котлов с установок деми-
нерализации, содержатся кислород, азот, углекислый! газ вслед-
ствие контакта с атмосферным воздухом. В зависимости от
степени насыщения растворенными газами и температуры воды,
а также о г давления в системе концентрация этих газов в воде
может изменяться от сотых долей до десятков и даже сотен
миллиграммов в литре.
Данные по растворимости кислорода и углекислоты в воде
в зависимости от температуры приведены на рис. 3.19 и 3.20
[95,98].
Основным способом дегазации воды является термическая
деаэрация, главным преимуществом которой следует считать ее
универсальность, т. е. удаление всех растворенных в воде га-
зов независимо от их природы.
Сущность термической деаэрации заключается в продувании
воды паром, создающим над поверхностью жидкости весьма
низкое парциальное давление удаляемого из нее газа. Термичес-
кая деаэрация — десорбционный способ удаления газов из воды
основан на применении законов Генри и Дальтона.
Обязательным условием процесса является снижение парци-
ального давления газа до величины, возможно более близкой
к нулю, что принципиально возможно при интенсивном контакте
воды с паром и без нагрева ее до кипения. Однако практически
из-за интенсивной теплопередачи при конденсации пара на по-
верхности струй или капель воды нагревание последней проис-
ходит значительно быстрее, чем десорбция из нее газа. Вслед-
ствие этого нагревание воды до кипения обоснованно считается
одним из необходимых условий эффективной деаэрации воды.
На рис. 3.21 |[98] показана зависимость содержания кислорода
в воде, парциальных давлений воздуха, кислорода и паров воды
от температуры.
Рис. 3.19. Зависимость растворимости кислорода в воде от температуры.
Рис. 3.20. Зависимость растворимости диоксида углерода в воде от температуры.
214
Рис. 3.21. Зависимость содержания
кислорода в воде (/), паров воды
(2), кислорода (3) и парциального
давления воздуха (4) от темпера-
туры (давление 7448 Па).
иной
Однако из-за ограни^
ченных скорости десорб-
ции и времени контакта
воды с паром нагрев де-
аэрируемой воды до со-
стояния кипения еще не
обеспечивает полного
удаления из нее газов да-
же при парциальном дав-
лении их над водой, рав-
ном нулю.
Приблизиться к равновесному состоянию в той или
степени можно, увеличивая поверхность раздела между паром
и водой и время пребывания воды в деаэраторе, а также по-
вышая скорость десорбции путем увеличения интенсивности пе-
ремешивания воды, повышения температуры и т.п.
Повышение температуры воды, достигаемое в процессе тер-
мической деаэрации, снижает коэффициент абсорбции и раство-
римость газов, а также ускоряет десорбцию газов вследствие
увеличения движущей силы десорбции и интенсивности диффу-
зии газов.
Конструкция любого термического деаэратора должна обес-
печить требуемый нагрев воды, достаточно тонкое раздробле-
ние потока деаэрируемой воды на струи сечений, достаточных
для свободного прохода пара во избежание гидравлических
ударов в колонне, достаточные размеры выпара с использова-
нием его тепла для подогрева деаэрируемой воды, достаточную
продолжительность пребывания воды в колонне.
Необходимо также предусматривать автоматическое регули-
рование подачи греющего пара и деаэрируемой воды в деаэра-
тор для поддержания установленного теплового режима дегаза-
ции воды [99].
Производительность деаэратора определяется значением до-
пустимой тепловой нагрузки его, т. е. требуемым расходом гре-
ющего пара. При заданной тем-
пературе воды перед колонной
предельной!
деаэратора
нагрузке
пре-
нагруз-
тепловой
соответствует
дельная гидравлическая
ка его.
на эффект
Рис. 3.22. График влияния выпара
деаэрации воды:
I — остаточное содержание Оз; 2 —
содержание СОг.
остаточное
215
Рис. 3.23. Схема деаэрационной
установки:
1 — подогреватель воды; 2 — колон-
на деаэратора;'3—верхняя перфо-
рированная тарелка; 4—перепуск-
ная тарелка; 5 — барботажный
лист; 6 — переливной порог; 7 —
гидрозатвор; 8 — аккумуляторный
бак.
Расход выпара, уда-
ляемого из деаэрацион-
ной колонны, имеет важ-
ное значение для эффек-
тивной работы деаэрато-
ра. С уменьшением расхо-
да выпара увеличивается
парциальное давление
удаляемых газов на вы-
ходе из колонны. Это
приводит к уменьшению движущей силы процесса и ухудше-
нию эффекта деаэрации воды. На рис. 3.22 [98] показана при-
мерная зависимость остаточного содержания кислорода и угле-
кислого газа в деаэрируемой воде от расхода выпара.
В агрегатах производства аммиака термическую деаэрацию
проводят при атмосферном давлении. Питательная недеаэриро-
ванная вода поступает с установки деминерализации и подогре-
вается до 80—90 °C в подогревателях, установленных в агрега-
те производства аммиака. Подогретая недеаэрированная вода
поступает на термическую деаэрацию. Термическая деаэрация
протекает в двух деаэраторах типа ДА-300 (в некоторых агре-
гатах устанавливают один деаэратор). Каждый термический
деаэратор состоит из деаэрационной колонны с полезным объ-
емом 100 м3, размещенной на аккумуляторном баке, и охлади-
теля выпара.
В деаэраторе применена двухступенчатая схема дегазации:
I-ая ступень — струйная; П-ая—-барботажная. Обе ступени
размещены в деаэрационной колонне, принципиальная схема
которой приведена на рис. 3.23. Вода, подлежащая деаэрации,,
подается в колонну 2 на верхнюю перфорированную тарелку 3,
с которой стекает струями на расположенную ниже перепуск-
ную тарелку 4, а затем узким пучком струя большего диамет-
ра сливается на начальный участок непровального барботаж-
ного листа 5. Далее вода проходит по барботажному листу в
слое, обеспечиваемом переливным порогом 6, и через гидроза-
твор 7 сливается в аккумуляторный бак 8, после выдержки в
котором выводится из деаэратора.
Весь пар подается в аккумуляторный бак деаэратора, вен-
тилирует паровой объем бака и через горловину попадает под
барботажный лист 5. Проходя сквозь отверстия барботажного
листа, площадь которых выбрана с таким расчетом, чтобы ис-
ключить провал воды при минимальной тепловой нагрузке
216
деаэратора, пар интенсивно обрабатывает воду. Далее пар на-
правляется в отсек между тарелками 3 и 4. Парогазовая смесь
(выпар) отводится через верхнюю часть колонки деаэратора.
Процесс дегазации завершается в аккумуляторном бакс, где
происходит выделение из. воды мелких пузырьков газов за счет
отстоя. Остаточное содержание кислорода в воде после деаэра-
тора не должно превышать 10 мкг/л.
Коррекционная обработка воды. Коррекционную обработку
воды проводят для предотвращения накипеобразования и
уменьшения интенсивности коррозионных процессов. Последнее
достигается как повышением величины pH, так и связыванием
следов кислорода, остающихся в питательной воде после ее
деаэрации.
В качестве веществ, используемых для корректировки водно-
го режима, используют вещества, не увеличивающие общее со-
лесодержание — аммиак и гидразин.
Аммиак нейтрализует свободный диоксид углерода, появля-
ющийся в процессе распада бикарбонатов и карбонатов при
нагреве воды до температуры насыщения, и повышает величи-
ну pH до величин, отвечающих щелочной среде. Он добавляет-
ся в виде водных 4%-ных растворов. Доза аммиака определяет-
ся значением pH питательной воды, которое должно состав-
лять 9—9,5. Подачу аммиачной воды осуществляют непрерывно
насосами-дозаторами к основным питательным насосам систе-
мы парообразования. Содержание аммиака в питательной воде
должно составлять 0,2—0,3 мг/л.
Эффективным средством связывания кислорода, остающего-
ся в питательной среде после деаэратора, является гидразин.
Для экономии реагента и в связи с неполнотой протекания этой
реакции при низких температурах гидразин вводят в питатель-
ную воду после деаэратора.
Суммарная реакция гидразина с водой имеет следующий
вид:
N2h4 + О2 ----> 2Н2О + N2f (3.35)
Термодинамическая вероятность этой реакции очень велика,
т. е. равновесие практически полностью смещено вправо.
При температурах, значительно меньших 100 °C, скорость
связывания кислорода невелика, но быстро растет с повыше-
нием температуры. При температуре 200 °C и выше гидразин
разлагается на азот, водород и аммиак.
Часть кислорода, растворенного в питательной воде, может
поступать в котел в связанном виде (оксид железа — Fe2O3).
Оксид железа при высоких температурах может вызывать кор-
розию теплообменных поверхностей.
4Ге2О8 4- Fe -> 3Fe8O4 (3.36)
Гидразин сводит это агрессивное воздействие до минимума
за счет реакции с продуктами коррозии, восстанавливая их по
217
уравнению:
N2H4 + 6Fe2O3 -> 4Fe3O4 + N2 + 2H2O (3.37)
Наиболее вероятно, что гидразин избирательно реагирует
с продуктами коррозии, а не непосредственно с кислородом.
Кислород затем удаляется оксидом железа по уравнению:
4Fe3O4 -р О2 - > 6Fe2O3 (3.38)
На практике первоначальная дозировка гидразина больше,
чем это необходимо для связывания кислорода; это подтверж-
дает, что гидразин прежде вступает в реакцию с окисленными
продуктами коррозии. Количество введенного гидразина в пе-
риод пуска обычно в два раза больше необходимого. Такой
расход гидразина поддерживают до тех пор, пока содержание
остаточного гидразина на входе в котел не достигнет 0,02—
0,03 мг/л. Затем количество подаваемого гидразина можно
уменьшить в 1,25—1,5 раза. Подачу раствора гидразина кон-
центрацией 0,4% (масс.) осуществляют непрерывно насосами-
дозаторамп па вход основных питательных насосов системы па-
рообразования.
Избыток гидразина поддерживают на уровне 20—30 мкг/кг.
Остаточное содержание кислорода в питательной воде после
обработки ее гидразином не должно превышать 7 мкг/кг.
Предпусковая химическая очистка системы получения пара.
Очистке подвергается внутренняя поверхность оборудования и
трубопроводов всего пароводяного тракта высокого давления:
котлов-утилизаторов Кой и П-ой ступеней после конвертора
метана и после конвертора оксида углерода Кой ступени, вспо-
могательной печи, паросборника, подогревателей питательной
воды в трубчатой печи, теплообменниках, секций метанирования
и синтеза, трубопроводов питательной воды и пара высокого
давления.
Не подвергаются химической очистке насосы питательной
воды, изготовленные из нержавеющей стали. Регулирующие
клапаны и диафрагмы на трубопроводах на период химической
чистки системы демонтируют и заменяют катушками, приборы
КИП также удаляются.
Для промывки трубных пучков котлов-утилизаторов после
конвертора метана пучки вынимают из корпуса котла и уста-
навливают в наклонном положении. Промывку этого оборудо-
вания осуществляют по отдельным контурам.
Химическая очистка системы парообразования включает в
себя следующие этапы.
Промывка деминерализованной водой 7—8-кратная. Послед-
ние 2—3 промывки проводят с добавкой гидразингидрата, кон-
центрация его в растворе 100 мг/л. При водной промывке из
трубопроводов и оборудования удаляются отложения и посто-
ронние загрязнения.
218
Щелочная очистка деминерализованной водой, содержащей
тринатрийфосфат — 0,1%, соду кальцинированную — 0,1%; мою-
щее средство (ОП-7 или ОП-Ю) — 0,1 %. Необходимая темпе-
ратура раствора — 80—90 °C.
Основное назначение щелочной очистки — обезжиривание
поверхностей металла, а также частичное удаление кремние-
вой кислоты, некоторое разрыхление отложений, облегчающее
их растворение и удаление. Время щелочной промывки состав-
ляет 12—16 часов.
После очистки система промывается деминерализованной
водой до достижения pH в отмывочной воде ниже 9, а содержа-
ние фосфатов ^1 мг/л.
Кислотная очистка деминерализованной водой, содержащей
цитрат аммония — 3%; антиокислитель (каптакс)—0,05%; мо-
ющее средство (ОП-7 или ОП-Ю)—0,1%; растворитель дву-
оксида кремния (NH4F или NaF)—0,3%. Температура промыв-
ки ~90DC.
Кислотную очистку проводят для растворения и дисперги-
рования «подготовленных» предыдущим щелочением отложе-
ний. Цитрат аммония, входящий в промывочный раствор, эф-
фективно удаляет прокатную окалину, отложения магнезита и
медьсодержащие отложения. Фтористый аммоний (или натрий)
добавляют для отмывки кремнекислых отложений, каптакс —
для защиты металла от повторного окисления.
После очистки систему промывают деминерализованной во-
дой до рН>5 и концентрации ионов Fe<20 мг/л.
Нейтрализация деминерализованной водой, содержащей 0,1%
состава для удаления ржавчины (аммиак или NH4OH), с по-
следующей пассивацией для создания защитной оксидной плен-
ки с помощью 0,5% антикоррозионного средства (NaNOg).
Система конденсации пара после турбин
компрессоров
В крупнотоннажных агрегатах производства аммиака как
для охлаждения технологических потоков, так и для конденса-
ции пара широко используется воздушное охлаждение.
Для конденсации пара после конденсационной части турби-
ны компрессора синтез-газа во всех крупнотоннажных агрега-
тах производства аммиака устанавливают конденсаторы воз-
душного охлаждения. Для конденсации после турбин компрес-
соров природного газа, воздуха и аммиака в импортных агрега-
тах используют также конденсаторы воздушного охлаждения,
в отечественных агрегатах конденсации пара после турбин ком-
прессоров природного газа и воздуха — конденсаторы кожухо-
трубчатого типа с охлаждением оборотной водой.
Воздушное охлаждение имеет целый ряд преимуществ по
сравнению с водяным:
219
Рис. 3.24. Типовая схема ва-
куумной конденсационной
установки воздушного ох-
лаждения фирмы «Луммус»:
1 — паровая турбина; 2
эжектор; 3 — воздушный кон-
денсатор; 4 — вентилятор;;
5 — сборник конденсата; 6 —*
конденсатный насос; 7 — теп-
лообменник.
воздух всегда доступен и не образует отложений на охлаж-
даемых поверхностях;
использование воздуха в качестве хладоагента позволяет
экономить воду и исключает расходы на сооружение системы
подачи и очистки воды;
облегчает выбор места строительства завода, так как мож-
но не привязываться к крупному источнику водоснабжения;
материалы для изготовления аппаратов воздушного охлаж-
дения болёе просты и дешевы, так как коррозия воздухом го-
раздо меньшая, чем со стороны оборотной воды;
не ограничивается температура стенки трубы, как это имеет
место для водяных холодильников;
загрязнения поверхности труб при использовании воздуха
незначительны. Очистку поверхности можно производить во
время работы путем обдувки струей воздуха или пара;
исключается возможность попадания воздуха в технологи-
ческий поток. При водяном охлаждении вода попадает в техно-
логический поток и наоборот;
легче обнаружить утечки технологической среды, их легче
устранить;
в большом потоке воздуха утечки вредных сред не могут до-
стигать величин, не допустимых сантехническими нормами.
В агрегатах производства аммиака наиболее широкое рас-
пространение получили конденсаторы фирм GEA (ФРГ) и Lu-
mus (США).
На рис. 3.24 приведена типовая схема вакуумной конден-
сационной установки воздушного охлаждения фирмы Lummus.
Пар из турбины 1 поступает через линию вакуумной вытяжки
в парораспределительные трубы воздушного холодильника.
220
Парораспределительные трубы соединяются с трубными пуч-
ками теплообменников 3. Каждый трубный пучок состоит из
нескольких параллельно расположенных стальных трубок, име-
ющих наружное алюминиевое оребрение. Конденсаторы изго-
тавливают из углеродистой стали. Пар, проходя по оребренным
трубкам, конденсируется, охлаждающий воздух подается с по-'
мощью вентиляторов 4.
На выходе из трубных пучков конденсат собирается в кон-
денсатные линии и самотеком поступает в сборник конденса-
та 5, откуда насосами 6 перекачивается па установку приготов-
ления воды.
Конденсатор имеет несколько секций, каждая из которых
снабжена одним вентилятором. Конденсатный коллектор обору-
дован сифонным сливом, с помощью которого поддерживается
уровень жидкости в спускной трубе конденсата и тем самым
предотвращается противоток пара.
В случае остановки агрегата дренирование коллектора кон-
денсата осуществляется с помощью специального клапана.
Для того чтобы обеспечить необходимое охлаждение и удов-
летворительную работу эжекционного конденсатора, предусмат-
ривается рециркуляционная система конденсата. При низкой
нагрузке конденсационной турбины открывается специальный
клапан и осуществляется рециркуляция конденсата.
Противодавление пара после турбины при нормальной рабо-
те автоматически регулируется положением жалюзи, которыми
снабжены все конденсаторы.
При весьма высокой температуре окружающей среды в лет-
ний период бывают случаи, когда невозможно поддерживать
температуру конденсата в заданных пределах (~67 °C) вслед-
ствие возрастания противодавления турбины. В таком случае
может быть закрыт клапан на линии конденсата, что предохра-
нит переохлажденный конденсат от повторного нагревания.
Указанный клапан должен быть вновь открыт тотчас же, когда
температура окружающей среды понизилась до достаточного
уровня. В тех случаях, когда температура окружающей среды
превышает расчетную (28°C), а установки работают при пол-
ной нагрузке, расчетное противодавление не выдерживается.
Для охлаждения воздуха, поступающего в конденсаторы, уста-
новлены водораспылительные форсунки, которые вводятся в
действие при температуре воздуха выше 28 °C.
Необходимо периодически проверять температуру конденса-
та, так как, когда температура конденсата становится ниже, чем
температура насыщения при рабочем давлении, в систему мо-
жет попасть воздух, что явится причиной уменьшения произво-
дительности в летнее время и переохлаждения конденсата в
зимнее время. Когда температура будет ниже температуры на-
сыщения на 5 °C, следует проверить всю систему на подсос воз-
духа в нее и устранить его перезатянув болты фланцев или,
если необходимо, проведя ремонт системы.
221
(полностью
открыты)
Рис. 3.25. Система воздушного охлаждения для работы в летнее (а) и в зимнее (б)
жремя.
Система конденсации пара в аппаратах воздушного охлаж-
дения при положительных температурах окружающего воздуха
работает надежно и довольно проста в эксплуатации.
Однако при понижении температуры воздуха ниже О °C ее
эксплуатация значительно усложняется из-за замерзания кон-
денсата. В зимний период все обогревающие спутники должны
быть незамедлительно включены в работу.
На рис. 3.25 а, б показано расположение жалюзи и поворот-
ных дверей для обеспечения работы конденсаторов в летнее и
зимнее время, а также система автоматического и дистанцион-
ного контроля и управления для обеспечения нормальной рабо-
ты конденсаторов.
Сигнализаторы температуры и термометры дадут оператору
возможность выявить опасные низкие температуры воздуха пе-
ред пучками конденсаторов.
На рис. 3.26 приведен график включения жалюзи и венти-
ляторов для турбины компрессора синтез-газа в зависимости от
температуры окружающего воздуха и нагрузки конденсатора
по пару.
Насосно- компрессорное оборудование
Паровые турбины
В установке производства аммиака применяют как кон-
денсационные турбины с отбором, так и конденсационные тур-
бины с противодавлением. Многотппность применяемых турбин
определена необходимой мощностью и числом оборотов, потреб-
ных для каждой насосно-компрессорной единицы. Применяют
турбины активного и реактивного типа [;100, 101].
222
1 жалюзи 'о X X о X о о о о о
X X X X X X о о о
о о о о о о о о о
со X X X X X X о о о
X о о о о X о о о
<1 X X X X X X о о о
Вентилятор Со Со со Со со <0 з: ц.
Со <о 3: Со к к з; ц. Ll
<5> Со Со Со Со Со Со а: 31 Ll
3; Зг U. Ц. к iu к
Со Со со со со Ц. г ц.
Со 3; ц. к к г к Ц.
СтаЗия <N Со •о Со К «О
Рис. 3.2S. Включение жалюзи и вентиляторов в зависимости от температуры окружающего воздуха и нагрузки конденсатора по пару.
Фис. 3.27. Турбина компрессора азотоводородной смеси мощностью 32 МВт:
J— концевое уплотнение; 2— регулировочный клапан; 3 — активные лопатки; 4— клапан
регулирования давления в отборе; 5 — передний корпус; 6 — статорные лопатки; 7 — зад-
ний корпус; 8 — концевое уплотнение.
Наибольшую по мощности турбину устанавливают для при-
вода компрессора азотоводородной смеси. На этом компрессоре
используют два типа турбин — однокорпусная конденсационная
турбина с отбором пара при давлении 40-105 Па и турбина из
двух самостоятельных корпусов (турбина противодавления и
конденсационная турбина).
Наибольшее применение нашла одноцилиндровая конденса-
ционная турбина с регулируемым отбором пара (рис. 3.27).
Ниже приведены технические характеристики турбины (ми-
нимальный, номинальный, максимальный показатели):
Число ступеней — 6 —
Мощность, кВт .— 28530 31400
Скорость вращения, мин-1 9520 11200 11760
Первая критическая скорость вращения, мин-1 •— 5464 —
Давление пара, 105 Па — 100 105,5
Температура пара, °C 400 482 499,5
Расход пара на турбину, т/ч — 361 370
Расход пара на технологию, т/ч Давление пара, 105 Па — 300 340
на выходе 0,289 0,322 0,75
отбора — 40,5 47,5
Температура пара на выходе, °C 67,1 70,2 —
224
Корпус турбины состоит из двух секций: низкого давления,
изготовленной из стального литья, и высокого давления, изго-
товленной из молибденистого стального листа, соединенных
между собой по вертикальному разъему, который является тех-
нологическим и в процессе эксплуатации не разбирается. Рас-
крытие корпуса турбины производят по горизонтальному разъ-
ему.
Корпус турбины опирается двумя передними лапами на пе-
редний стул, который расположен на фундаментной раме. Пе-
редняя опора корпуса может перемещаться вдоль фундамент-
ной рамы при тепловых расширениях корпуса. Осевое переме-
щение осуществляется по направляющей шпонке.
Задняя опора корпуса выполнена в виде двух вертикальных
гибких плит, наглухо закрепленных в фундаментной раме. Пли-
ты расположены вдоль корпуса с двух сторон. Такое располо-
жение плит делает невозможным осевое перемещение и дает
свободу в поперечном направлении. Болты, крепящие передние
лапы к переднему стулу и стул к фундаментной раме, обеспечи-
вают свободное тепловое расширение корпуса за счет дистанци-
онных шайб.
На корпусе расположены паровые коробки регулирующих
клапанов, клапаны отбора пара, валоповоротный механизм, па-
трубки входа пара, отбора пара и выхлопа, регуляторы скоро-
сти и давления.
Ротор турбины имеет шесть рабочих дисков и изготовлен из
одной стальной поковки. Упорный диск также изготовлен как
одно целое с ротором. Рабочие лопатки 1-, 2-, 5- и 6-й ступеней
крепятся в пазах диска с помощью елочнообразного замка, а
лопатка 3- и 4-й ступеней — с помощью трапецеидального зам-
ка. Все рабочие лопатки активного типа. По наружной поверх-
ности они соединены с бандажами в пакеты. Лопатки 6-й ступе-
ни имеют проволочный бандаж.
В корпусе турбины установлены диафрагмы, в которых раз-
мещены направляющие лопатки. В диафрагмах 1—5 ступеней
применены аппараты направляющих лопаток разъемного типа,
а в диафрагме 6-й ступени — направляющие лопатки привар-
ные. Кроме того, на диафрагме шестой ступени установлен
центробежный уловитель влаги.
В турбине установлены промежуточные и концевые лаби-
ринтные уплотнения: промежуточные — в диафрагмах, а кон-
цевые— для предотвращения утечки пара в атмосферу со сто- .
роны высокого давления и подсоса воздуха со стороны низкого
давления. Уплотнения снабжены системой отвода пара и подачи
уплотнительного пара с отсасывающим эжектором и конденса-
тором утечек.
Ротор турбины уложен в двух выносных подшипниках: пе-
реднем— опорно-упорном и заднем (со стороны выхлопа) —
опорном. Опорно-упорный подшипник состоит из опорного ПОД-
ШИП! ка со стальными залитыми баббитом вкладышами, одно-
15—831
225
стороннего упорного подшипника с качающимися опорными ко-
лодками и установочного кольца с рабочей поверхностью, за-
литой баббитом. Задний опорный подшипник имеет стальные,
залитые баббитом вкладыши. Для защиты подшипников от по-
падания пара в лабиринтные уплотнения подшипников подает-
ся воздух.
Турбина снабжена валоповоротным устройством для прово-
рачивания ротора перед пуском и после остановки турбины с
целью равномерного его охлаждения.
Пар к турбине подводится через запорную задвижку с руч-
ным приводом и стопорный клапан. Из стопорного клапана пар
по двум перепускным трубам подается в коробки регулирую-
щих клапанов. После регулирующих клапанов пар поступает в
сопловые камеры и далее на лопатки турбины.
После второй ступени производят отбор пара под давлением
40,5-10s Па в коллектор пара для последующей его подачи на
другие паровые турбины. Остальной пар поступает на конден-
сационную часть турбины и, пройдя последовательно оставшие-
ся четыре ступени, отдав свою энергию лопаткам турбины, на-
правляется в поверхностный конденсатор воздушного охлажде-
ния. В конденсаторе пар конденсируется. Разрежение в конден-
саторе создается в результате конденсации пара и поддержи-
вается за счет работы эжекторов и операций, позволяющих из-
менять температуру в конденсаторе (изменением оборотов вен-
тиляторов, наклона лопастей, открытием жалюзи, впрыском кон-
денсата в воздух).
Паровой конденсат из конденсатора собирается в сборнике
конденсата, откуда откачивается на установку приготовления
питательной воды.
Все протечки пара, образуемые за счет пропуска в уплотне-
ниях турбины, в уплотнениях штоков регулирующих клапанов,
в уплотнениях стопорного клапана, отводятся из первичных ка-
мер уплотнений в коллектор пара с давлением 3,5-105 Па, из
замыкающих камеры уплотнений протечки с помощью эжекто-
ров отводятся в конденсатор утечек пара.
Установленный на паропроводе стопорный клапан предназ-
начен для быстрого отключения подачи пара в турбину и для
регулирования пара, поступающего в турбину при пуске. При
нормальной работе турбины стопорный клапан открыт.
Пар подводится в паровую коробку к стопорному односе-
дельному клапану через верхний патрубок. Для уменьшения
усилия отрыва основного клапана при открытии, когда он си-
лой давления пара прижат к седлу, применен разгрузочный
клапан на том же штоке. Разгрузочный клапан открывает от-
верстие в основном клапане и через него заполняется паром
объем за стопорным клапаном. При этом происходит выравни-
вание усилий перед стопорным клапаном и за ним, что значи-
тельно снижает усилие, необходимое для перемещения стопор-
ного клапана.
226
Механизм управления стопорным клапаном состоит из кла-
панной колонки с двумя винтовыми пружинами, которые стре-
мятся переместить поршень колонки со штоком клапана вниз.
Механизм управления имеет и ручной привод от зубчатой па-
ры, производящей подъем и опускание штока.
Поддержание стопорного клапана в рабочем состоянии осу-
ществляется сервомотором, установленным на колонке стопор-
ного клапана. В сервомотор подается масло, давлением кото-
рого поршень удерживается в положении, при котором пружи-
на сервомотора сжата.
Автоматическое регулирование расхода пара производится
от гидравлической системы регулирования, которая воздейству-
ет на четыре регулирующих клапана, расположенных в двух
паровых коробках.
Клапаны открываются сервомотором за счет подачи в него
масла из системы регулирования. При этом поршень сервомото-
ра через тягу воздействует на рычаг и поворачивает вал с за-
крепленными на нем четырьмя подъемными рычагами. Клапаны
при повышении давления масла в сервомоторе открываются, а
при снижении закрываются под действием пружины. В случае
срабатывания защиты турбины прекращается подача масла в
сервомотор и регулирующие клапаны под действием пружин
закрываются.
Регулирование отбора пара после второй ступени турбины
производится также автоматически от гидравлической системы
регулирования.
Три клапана регулирования давления отбора пара установ-
лены в паровой коробке, расположенной на верхней половине
корпуса. Пар, который проходит клапаны отбора, поступает на
третью ступень турбины. Управление клапанами отбора произ-
водится от сервомотора, в который подается рабочее масло из
системы регулирования.
Регулирование турбины производят двумя регуляторами —
скорости и давления отбора пара. Регулирующее масло под
давлением десять атмосфер через отсечные золотники подается
в сервомоторы регулирующих клапанов, клапанов отбора пара,
стопорного клапана, в регуляторы скорости и количества от-
бора.
В качестве регулятора скорости на турбине применен гид-
равлический регулятор, который преобразует угловую скорость
вращения вала турбины в давление масла, которое воздейству-
ет на положение главного регулирующего рычага.
Регулятор давления отбора пара представляет собой трубку
Бурдона, в которую поступает импульс давления пара от трубо-
провода отбора. Расширение или сужение трубки Бурдона вы-
зывает перемещение струпной трубки относительно отверстий
регулятора. Любое перемещение струйной трубки вызывает из-
менение давления масла в сервомоторе и одновременно пере-
мещение главного регулирующего рычага.
15*
227
Кроме представленной на рис, 3.27 турбины, в некоторых
агрегатах используют турбину, состоящую из двух корпусов,
соединенных между собой зубчатой муфтой. На рис. 3.28 изо-
бражена турбина фирмы «Дженерал Электрик», в которой один
корпус является турбиной противодавления, а другой — конден-
сационной турбиной. Техническая характеристика данной тур-
бины приведена ниже ![102]:
Показатель Турбина противо- давления Конденса- ционная турбина
Мощность, кВт 11700 21900
Скорость вращения, об/мин .... 10516 11040
Давление пара на входе, 105 Па . 100,2 100,2
Температура пара на входе, °C ... Расход пара 482 482
на турбину при нормальной работе, общий 272,73 354
на турбину противодавления .... —
на турбину конденсации •— 81 27
Давление пара на выходе, 105 Па 40,5 0,32
В данной турбине используется одно давление пара,
100-105 Па, как на турбине противодавления, так и на конден-
сационной турбине.
Оба корпуса турбины соединены зубчатой муфтой, через ко-
торую возможна передача мощности от одной турбины к дру-
гой в случае недостатка для привода соответствующего цилинд-
ра компрессора. Через зубчатую муфту возможна передача
мощности до 11100 кВт. На каждой турбине имеется стопорный
клапан и регулирующие клапаны. Регулирование турбины про-
изводится по скорости и давлению в отборе. По скорости регу-
лируется конденсационная турбина. Для определения скорости
применяют магнитные датчики, установленные на турбине.
Противодавленческая турбина регулируется поддержанием
давления пара за турбиной.
Турбины снабжены прибором, указывающим направление
фазы при биении ротора из-за недостаточной балансировки.
Ротор имеет утапливаемые винты по окружности, изменяя по-
ложение которых можно проводить балансировку ротора в ра-
бочих условиях по измерению параметров вибрации и положе-
ния фазы биения за счет установленных датчиков.
Турбина противодавления симметрична по отношению к по-
току пара и имеет в каждую сторону по три ступени.
Конденсационная турбина имеет восемь ступеней, при этом,
однако, у ротора нет высоких лопаток на последней ступени.
Это достигается за счет того, что поток пара после 5-й ступени
разделяется на два: один поступает на ступень 6 а, другой — на
ступень 6 с.
Таким образом установка дополнительной ступени и разде-
ление потока пара позволили в данной турбине избежать высо-
ких лопаток.
229
Для привода компрессоров воздуха (ВД), природного газа
(КПГ) и аммиака (КА) применяют обычно одноцилиндровые
конденсационные турбины, технические характеристики которых
приведены ниже:
Показатель вк КПГ КА
Число ступеней . . 1+19 1+13 1+19
10260 3470 10332
Мощность, кВт • ’ 11290* 3820 11370
5250 9850 6450
Скорость вращения, об/мин .... • • 5500 10850 6770
39,7 39,7 39,7
Давление пара на входе, 105 Па . • • 47,5 47,5 47,5
371 371 371
Температура пара на входе, °C . ' 440 440 440
Расход пара, т/ч . . 54,6 18,0 52,7
* Номинальное значение
Максимальное значение
На рис. 3,29 приведен общий вид турбины, служащей при-
водом компрессора природного газа. Корпус турбины имеет вер-
тикальный и горизонтальный разъем, а его установка на фунда-
ментной раме аналогична установке корпуса турбины азотово-
дородной смеси (рис. 3.27).
Ротор турбины выполнен из кованой легированной стали и
включает одну активную и тринадцать реактивных ступеней.
В передней части имеется цельнокованный диск регулирующего
колеса. Для разгрузки осевых усилий имеется разгрузочный
поршень. Камеры разгрузочного поршня сообщается уравнитель-
ной линией с камерой за тринадцатой ступенью. На роторе рас-
положены два упорных диска, выполненных с ним как одно
целое. На переднем конце ротора установлено зубчатое колесо
для привода импеллера регулятора скорости. Лабиринтные
концевые уплотнения ротора имеют по две кольцевых камеры—
внутренние и наружные. Внутренние камеры соединены между
собой трубопроводом, в котором поддерживается давление
0,1 • 105 Па. В эти камеры в период пуска предусмотрена пода-
ча уплотняющего пара. Наружные камеры сообщаются с атмо-
сферой.
Вкладыши опорных подшипников стальные, залитые бабби-
том. Упорный подшипник двухстороннего действия с самоуста-
навливающимися колодками.
Для регулирования скорости турбины используют гидравли-
ческий регулятор, импульс на который подается от насоса-им-
пеллера, приводимого во вращение от вала турбины через зуб-
чатую передачу. Любое изменение скорости вращения турбины
вызывает изменение давления масла в системе регулирования,
230
Рис. 3.29. Общий вид турбины компрессора природного газа:
/ — передняя опора; 2 — упорный подшипник; 3 — регулятор; 4 — зубчатое колесо: 5 —
крышка передней опоры; 6 — передний опорный подшипник; 7 — переднее центральное
кольцо; 8 — масляное уплотнительное кольцо; 9 — переднее уплотнительное кольцо; 10 —
полукольцо-держатель сопел; // — сопла; 12— сброс пара из уплотнений; 13 — передний
корпус турбины (верхняя часть); 14 — верхняя часть заднего корпуса; /5 — заднее уплот-
нительное кольцо; 16 — сброс пара из уплотнений; 17 — масляное уплотнительное кольцо;
18— валоповоротное устройство; 19—активные лопаткн; 20-—лопатки турбины; 21 — ста-
торные лопатки; 22 — крышка заднего опорного подшипника; 23 — задний опорный под-
шипник; 24 — заднее центральное кольцо; 25 — нижняя часть заднего корпуса; 26 — пе-
редний корпус турбины (нижняя часть); 27 — вал турбины; 28 — полукольца; 29 — уплот-
нительное кольцо.
и, в свою очередь, изменение расхода пара через регулирующие
клапаны.
Давление на линии нагнетания компрессора поддерживается
регулятором давления, который изменяет скорость вращения
турбины. Основой регулятора является струйная трубка, кото-
рая изменяет давление масла в полости силового цилиндра в
зависимости от давления на нагнетании.
Система подачи пара на турбину включает фильтр пара, сто-
порный клапан и регулирующие клапаны. Отработанный пар
после турбины поступает на конденсационную установку, сос-
тоящую из поверхностного конденсатора, сборника конденсата,
конденсатных насосов, паровых эжекторов и конденсатора
эжекторов (рис. 3.42).
231
В некоторых схемах производства аммиака для привода
компрессора воздуха применяют турбины, в которых, наряду с
паром высоких параметров, предусмотрено использование низ-
копотенциального пара. Имеются турбины, в которых предус-
мотрена возможность использования пара от коллектора с дав-
лением 3,5-105 Па [И01].
Техническая характеристика турбины приведена ниже:
Мощность, кВт............................... 11796
Скорость вращения, об/мин..................... 5968 (6267*)
Давление пара на входе, 105 Па .... 38,8
Температура пара на входе, °C............... 330
Автоматический подвод пара, 105 Па . . . . 3,5
Температура подводимого пара, °C ... 218
* Максимальное значение.
Ротор турбины имеет семь ступеней, после четвертой ступе-
ни предусмотрен подвод пара давлением 3,5-105 Па и установ-
лены регулирующие клапаны для подачи пара.
Опорные подшипники — многосегментные, с четырьмя само-
устанавливающими стальными, залитыми баббитом подушками.
Корпус опорного подшипника на стороне высокого давления и
корпус упорного подшипника совмещены.
Для обслуживания компрессорных установок, основных на-
сосов смазки, основных насосов уплотнительного масла и кон-
денсатных насосов применяют целую группу вспомогательных
турбин (см. гл. 3).
Турбины для привода конденсатных насосов компрессоров
воздуха, азотоводородной смеси и аммиака представляют собой
одноступенчатую вертикальную турбину с противодавлением.
Мощность турбин составляет в рабочем режиме 14—15,6 кВт,
число оборотов ротора 2960 об/мин, расход пара на турбину
11,5—12,9 кг/ч (данные приведены для различных турбин).
Турбина привода основного насоса смазочного масла для
компрессоров природного газа, аммиака, азотоводородной сме-
си представляет собой одноступенчатую турбину активного ти-
па с двумя рядами рабочих лопаток, мощность этих турбин
находится в пределах 28,4—90 кВт, число оборотов 2950 об/мин.
Мощность турбин насосов уплотнительного масла низкого
давления для компрессоров природного газа и аммиака состав-
ляет 9,6 кВт. Эти турбины представляют собой горизонтальные
одноступенчатые турбины активного типа. Число оборотов со-
ставляет 1450 об/мин.
Турбина привода насоса уплотнительного масла высокого
давления компрессора азотоводородной смеси имеет мощность
140 кВт, число оборотов 1550 об/мин. Расход пара на турбину
при максимальной мощности — 6,8 т/ч. Турбина также активно-
го типа, одноступенчатая, с противодавлением. Турбина имеет
один ряд неподвижных направляющих лопаток, установленных
232
Рис. 3.30. Турбина привода насоса питательной воды:
1 — концевое уплотнение; 2 — корпус; 3 — двухвенцовое рабочее колесо; 4 — выключатель сверхскорости; 5 — кла-
панная коробка; 6 — сопла подвода пара.
между двумя рядами вращающихся лопаток рабочего колеса.
Для привода основных насосов питательной воды, насосов
подачи раствора в систему очистки также используются паро-
вые турбины, в основном турбины с противодавлением. На
рис. 3.30 показаны типы турбин* применяемых в различных аг-
регатах, и приведен общий вид турбины для насоса питатель-
ной воды, используемой в агрегате.
Турбина имеет следующие технические характеристики:
Скорость вращения ротора, об/мин................... 6367
Давление пара, 105 Па
на входе.........................................39,7
на выходе......................................7,0
Температура пара на входе, °C...............371
Расход пара на турбину, кг/ч....................... 36,600
Мощность на валу турбины, кВт......................2162
Турбина одноступенчатая, паровая, с механическим осевым
регулятором. Ротор турбины опирается на два подшипника
скольжения с баббитовой заливкой. Осевое усилие ротора вос-
принимается шариковым подшипником, установленным со сто-
роны редуктора. На центральную часть вала напрессованы два
рабочих диска. На консольной части ротора со стороны, проти-
воположной редуктору, расположены выключатель и червячное
колесо привода регулирующего клапана. Уплотнение корпуса
на валу осуществляется с помощью трехсекционных графито-
вых колец, стянутых браслетными пружинами. С каждой сто-
роны установлены комплекты из пяти уплотнительных колец.
Корпус турбины имеет горизонтальный разъем. Внутри корпуса
установлены кольцевые сопла. К кольцевому соплу крепятся
на болтах опоры рабочих направляющих лопаток. На корпусе
турбины имеется вестовой клапан для сигнализации при повы-
шении давления в корпусе. Поддержание постоянного числа
оборотов турбины при полной нагрузке и номинальных пара-
метрах пара осуществляется механическим регулятором.
Аварийное отключение турбины по пару при чрезмерном
увеличении числа оборотов осуществляется закрытием главного
стопорного клапана, который приводится в действие от пневмо-
системы, включаемой при срабатывании центробежного выклю-
чателя (автомата безопасности).
Аналогичные по конструкции паровые турбины с противо-
давлением служат в качестве привода центробежных насосов
раствора очистки и дымососов.
Турбина для полурегенерированного раствора очистки име-
ет следующие технические характеристики:
Скорость вращения ротора, об/мин..................6419
Давление пара, 105 Па
на входе . ..........................39,7
на выходе......................................7,0
Температура пара на входе, °C....................371
Расход пара на турбину, кг/ч...................... 19800
Мощность на валу турбины, кВт...................... 1144
234
Рис. 3.31. Пятиступенчатая конденсационная турбина:
1 — концевое уплотнение: 2 — корпус; 3 — ротор.
В некоторых агрегатах для привода питательного насоса ис-
пользуют пятиступенчатую конденсационную турбину (рис. 3.31),
технические характеристики которой приведены ниже:
Скорость сращения ротора, об/мин................ 7857
Давление пара, 105 Па
па входе.......................................39,7
па выходе....................................0,32
Температура пара на входе, °C...................371
Расход пара на турбину, кг/ч..................... 12300
Мощность на валу турбины, кВт...................2150
Ротор турбины опирается на два подшипника скольжения, один
из которых опорно-упорный типа Мичелла. Опорно-упорный
подшипник расположен в отдельном корпусе. В том же корпусе
расположен редуктор-привод регулятора числа оборотов и ав-
томат безопасности. На верхней крышке корпуса подшипника
помещен регулятор числа оборотов. Внизу корпуса подшипника
прикреплен основной масляный насос.
На вал ротора турбины напрессованы пять рабочих дисков,
по ободу которого в Т-образных пазах закреплены лопатки из
нержавеющей стали.
Концевые, межступенчатые уплотнения корпуса турбины, а
также корпусов подшипников по валу — лабиринтные.
Корпус турбины, состоящий из двух половин, имеет гори-
зонтальный разъем. В корпусе турбины закреплены направля-
ющие лопатки. Предохранительный и регулирующий клапаны
установлены на фланцах линии входа пара и на передней сто-
роне корпуса турбины.
Смазка подшипников турбины принудительная. Основной
масляный насос шестеренчатого типа имеет привод от вала тур-
бины через червячную передачу. Вспомогательный масляный
насос монтируется на масляном баке и вступает в действие,
когда снижается давление масла в системе.
Насосное оборудование
Одной из особенностей производства аммиака является
значительное количество жидкостей (вода, растворы очистки,
конденсат, жидкий аммиак и др.), которые необходимо переда-
вать как внутри установки по трубопроводам, так и в наруж-
ные сети.
Для перемещения технологической жидкости по трубопрово-
дам в установке аммиака применяют в основном лопастные
(центробежные) насосы. В системах смазки компрессорных ма-
шин применяют также насосы объемного действия (шестерен-
чатые, винтовые, плунжерные). В системах поддержания ва-
куума в конденсаторах применяют струйные насосы.
Применяемые центробежные насосы отличаются по парамет-
рам в широком диапазоне (подача от 0,5 до 700 м3/ч, напор от
2-105 Па до 140-105 Па).
236
Насосы, применяемые в установке, отличаются по числу ра-
бочих колес (от одноступенчатых до многоступенчатых), по
способу подвода жидкости (с односторонним всасыванием, с
двусторонним всасыванием), по способу отвода жидкости, по
компоновке (вертикальные, горизонтальные), по роду привода
(турбинный или с электродвигателем), по мощности (от не-
скольких киловатт до нескольких тысяч киловатт).
Главной особенностью основных насосных установок, обес-
печивающих надежность технологического процесса, является
применение для них паротурбинного привода и установка па-
раллельно с ним резервного насоса, как правило, с электропри-
водом. Это принято для всех насосов, обслуживающих компрес-
сорные установки, а также для насосов питательной воды, сис-
темы очистки, конденсатных насосов, насосов откачивания го-
тового продукта. С помощью резервирования насосных агрега-
тов в установке аммиака удалось значительно повысить надеж-
ность функционирования всей установки; по многим насосам
фактическая величина безотказной работы составляет 1500—
2000 ч.
Применяемые в установке аммиака насосы большой мощно-
сти с паротурбинным приводом по своей значимости и парамет-
рам приближаются к компрессорным установкам и требуют
применения самых совершенных по конструкциям узлов (под-
шипников, уплотнений, рабочих колес и др.), отработанной и
надежной системы смазки, квалифицированного ремонта и об-
служивания.
Насосы питательной воды предназначены для подачи котло-
вой воды из деаэратора в систему парообразования. В некото-
рых агрегатах установлен один питательный насос, работаю-
щий с отбором воды на пусковой котел. В других схемах пред-
усмотрены самостоятельные питательные насосы. Имеются схе-
мы, в которых установлены циркуляционные насосы для прину-
дительной циркуляции воды из паросборника через теплообмен-
ные поверхности. Ниже приведены сравнительные параметры
насосов, установленных в различных схемах: на рис. 3.32 пока-
зан питательный насос, установленный в агрегатах аммиака с
отбором воды на пусковой котел.
Насос центробежный, многоступенчатый, секционный, гори-
зонтальный. Статор насоса образуют всасывающая и нагнета-
тельная крышки, между которыми размещаются секции. Кор-
пусные детали статора соединяются между собой стяжными
шпильками. Ниже приведена краткая техническая характери-
стика насосов питательной воды:
Тип насоса 200—CHS 250—250 SSD 6.15 ДДВЕ
Давление нагнетания, 105 Па . 132 130 138
Подача, м3/ч . 430 430 510
Число ступеней 9 7 6
Скорость вращения ротора, об/мин 2850 300С 4000
Мощность на валу, кВт .... 2200 2000 217G
237
Рис. 3.32. Насос питательной воды 200 — CHS:
1 — корпус всасывания; 2 — рабочее колесо; 3 — секция; 4 — корпус нагнетания; 5—тор
Патрубки насоса расположены на крышках в вертикальном
направлении. Лапы насоса находятся в горизонтальной плоско-
сти, проходят через ось насоса. Крепление насоса на фунда-
ментной плите выполнено таким образом, что всасывающий кор-
пус прочно соединен с фундаментной плитой, а нагнетательный
прижимается через тарельчатые пружины. Это дает возмож-
ность корпусу насоса двигаться в осевом направлении под влия-
нием теплового расширения.
Для поддержания минимальной разности температурных де-
формаций секций корпуса и шпилек последние имеют тепловую
изоляцию. Ротор насоса состоит из вала, рабочих колес, разгру-
зочного диска, дистанционных колец, деталей уплотнения и кре-
пежных гаек.
Рабочие колеса, посаженные на вал с натягом, в осевом на-
правлении фиксируются буртиком вала (первое колесо) и разъ-
емными кольцами, вставленными в выточки вала (последние
колеса). Конструкция ротора с разъемными кольцами, которые
238
цевое уплотнение; 6 — вал; 7 — опорный подшипник; 8 — упорный подшипник,
воспринимают осевые усилия от каждого в отдельности рабоче-
го колеса, надежна и устойчива в работе. Суммарная осевая си-
ла уравновешивается разгрузочной гидравлической пятой.
Ротор насоса установлен в радиальных подшипниках сколь-
жения. Осевые нагрузки в момент пуска и остановки насоса
воспринимает упорный подшипник с самоустанавливающимся
сегментом. Радиальные самоустанавливающиеся подшипники
размещены в корпусах на притертых шаровых поверхностях,
что позволяет им ориентироваться по линии деформации вала
и обеспечивает равномерную нагрузку по всей несущей поверх-
ности. Подшипники смазываются маслом, подводимым из мас-
лосистемы приводной турбины.
При отказе в работе системы смазки по любой причине
происходит автоматическое отключение насосов. Однако вра-
щение ротора продолжается 1—2 мин. В этом случае радиаль-
ные подшипники смазываются с помощью двух смазочных ко-
ец, забирающих масло из масляной полости.
239
Рис. 3.33. Характеристики насоса пита-
тельной воды:
зависимости Q — И (/) и Q ~ N (2)
при различных скоростях вращения.
Торцевые уплотнения ин-
тенсивно охлаждаются во-
дой, подводимой в камеры
охлаждения сальниковых
корпусов.
При работе насоса на
нулевой подаче, т. е. когда
нагнетательная арматура
закрыта, потребляется опре-
деленная мощность, кото-
рая переходит в тепло. Если
не охлаждать жидкость в
насосе, возникает опасность
ее вскипания, появляется неоднородность потока в проточной
части, вибрация. Это может вывести из строя опорные и упор-
ные подшипники. Поэтому необходимо, чтобы температура
жидкости была не больше, чем на 10 °C выше рабочей. Для это-
го расход жидкости через насос должен составлять 18—22% от
номинального. Регулирование происходит автоматически. При
достижении минимально допустимого расхода открывается
байпасная линия. Привод насоса осуществляется с помощью
турбины.
На рис. 3.33 приведены гидравлические характеристики пи-
тательного насоса 200-CHS при различных оборотах. Такие
характеристики позволяют правильно производить регулировку
параметров насоса изменением скорости вращения ротора тур-
бины.
В схемах агрегата фирмы ТЕС применяют насос питатель-
ной воды, имеющий компоновку, сходную с компоновкой насо-
са 200-CHS (рис. 3.34).
В агрегате фирмы «Кемико» установлен горизонтальный
двухкорпусной, многоступенчатый, с оппозитным расположени-
ем рабочих колес центробежный насос. Наружный корпус ко-
ваный, из углеродистой стали, с вертикальным разъемом. Внут-
ренний корпус имеет горизонтальный разъем, что позволяет
производить монтаж и демонтаж ротора без разборки рабочих
колес.
Первая ступень насоса имеет двухстороннее всасывание
(улучшение кавитационных характеристик); далее установлены
2- и 3-я ступени; 4-, 5- и 6-я ступени установлены с противопо-
ложным расположением всасывающих полостей, чем достига-
ется уравновешивание осевых сил ротора. Ротор устанавлива-
ют на выносных опорах скольжения, остаточное осевое усилие
воспринимается упорной пятой типа «Кингсбери».
240
5 в
Рис 3.34. Насос питательной воды 250X250 SSD:
1 — вал; 2 — корпус подшипника; 3 — сальник; 4 — корпус всасывания; 5 — внутренний корпус, « — рабочее колесо; 7 —на
правляющий аппарат.
16-831
Рис. 3.35. Циркуляционный насос котловой воды:
1 — вход охлаждающей воды; 2 — холодильник уплотнительной воды; 3 — торцевое уплот-
нение; 4 — вал; 5 — импеллер; 6 — выход охлаждающей воды; 7 — рабочее колесо; 8 —
корпус.
Смазка подшипников производится от основного маслонасо-
са, расположенному на валу питательного насоса. В период
пуска и остановки включается вспомогательный пусковой мас-
лонасос.
Концевые уплотнения вала торцевого типа. В полость уплот-
нения подается охлажденная вода.
В этом же агрегате имеется циркуляционный насос для
принудительной циркуляции воды из паросборника. Насос цент-
робежный, консольный, горизонтальный, одноступенчатый
(рис. 3.35).
Рабочее колесо располагается на конце вала. Ротор враща-
ется в подшипниках качения. Со стороны привода подшипнико-
вый узел состоит из трех радиальноупорных подшипников, два
из которых воспринимают осевое усилие. Высокое давление
всасывания (около 100-10s Па) потребовало специальной систе-
мы уплотнения вала. Между колесом и торцовым уплотнением
установлено щелевое уплотнение, за которым происходит сброс
давления до 50-105 Па. Кроме того, на валу перед торцевым
уплотнением размещено импеллерное кольцо, осуществляющее
циркуляцию уплотняемого конденсата через холодильник. Про-
изводительность насоса 1660 м3/ч, мощность 290 кВт. В схеме
используют три насоса — два рабочих и один резервный.
242
На всех крупных агрегатах производства аммиака исполь-
зуется двухпоточная система очистки азотоводородной смеси от
диоксида углерода. Для циркуляции рабочих растворов в кон-
турах очистки используются центробежные насосы регенериро-
ванного и полурегенерированного растворов моноэтаноламина
или поташа с различным содержанием пятиоксида ванадия.
Технические характеристики насосов системы очистки газов
приведены ниже:
Насос бедного раствора ХБ-630/300 8X1БНС 8ХИДТН
Подача, мэ/в 630 360 375
Давление нагнетания, 105 Па . 47 38 38
Число ступеней .... 4 1 2
Скорость вращения ротора, об/мин 1480 3600 2950
Мощность, кВт . . . . 1200 680 500
Насос полубедного раствора . 1СХ19НС 10Х19ДН
Подача, м3/ч 700 1450
Давление нагнетания, -105 Па . 39 31
Число ступеней нагнетания . 1 1
Скорость вращения ротора, об/мин 2700 2960
Мощность, кВт 1040 1470
Для перекачивания бедного и полубедного растворов моно-
этаноламина применяют горизонтальный, межопорный, много-
ступенчатый центробежный насос с рабочими колесами одно-
стороннего входа (ХБ-630/390). Это секционный, четырехступен-
чатый насос с приводом от паровой турбины через понижаю-
щий редуктор и соединительную зубчатую муфту (рис. 3.36).
Рис. 3.36. Насос химический ХБ-630/390:
1 — ротор; 2 — крышка всасывания; 3 — иабивка сальника; 4 — кольцо уплотнительное;
5 — рабочее колесо; 6 — крышка нагнетания.
16*
243
Рис. 3.37. Характеристика и асоса
ХБ-630/390.
Опорами ротора служат
подшипники скольжения,
осевая сила уравновешива-
ется разгрузочным порш-
нем, остаточная осевая си-
ла воспринимается упорным
сегментным подшипником.
Секционный корпус представляет собой набор секций, вход-
ной и выходной крышек, соединенных между собой стяжными
шпильками. В крышках выполнены соответственно входной и
выходной патрубки. Секции между собой и крышками центри-
руются на цилиндрических заточках по скользящей посадке.
Плотность стыков обеспечивается с помощью уплотнительных
колец из теплостойкой резины. Смазка подшипников и зубча-
той муфты принудительная.
На рис. 3.37 даны гидравлические характеристики насоса
ХМС 650/390 (ХБ-630/390).
Например, в агрегате фирмы ТЕС для подачи раствора по-
таша применен одноступенчатый насос с рабочим колесом дву-
стороннего входа, с проходным валом и выносными подшипни-
ками качения (рис. 3.38).
Корпус насоса литой, имеет вертикальный разъем, отвод
выполнен в виде двухзаходной спирали. Ротор насоса имеет
одно рабочее колесо двустороннего входа, которое установлено
в средней части вала по неподвижной посадке. Для предотвра-
щения утечки масла корпуса подшипников оборудованы лаби-
ринтными уплотнениями и маслоотбойными кольцами. Конце-
вые уплотнения ротора насоса осуществляются с помощью
дроссельных втулок и торцевых уплотнений (возможна установ-
ка мягких сальниковых уплотнений).
В этом же агрегате применены насосы для перекачивания
полурегенерированного раствора с использованием в качестве
дополнительного привода гидравлической турбины. Сами насо-
сы аналогичны по конструкции насосу, показанному на рис. 3.38,
и отличаются только геометрическими размерами, скоростью
вращения и соответственно рабочими параметрами. Для приво-
да насоса наряду с электродвигателем используют гидравличе-
скую турбину, в которой используется часть энергии раствора-
поглотителя перед его регенерацией. Гидротурбина соединена с
валом насоса через зубчатую муфту.
Для подачи бедного раствора поташа в абсорбер в агрегате
фирмы «Кемико» применен центробежный насос, конструкция
которого аналогична приведенному на рис. 3.38.
Для перекачивания продукционного аммиака и растворов
аммиака (30 %- и 40 %-ной аммиачной воды) в агрегатах при-
меняют центробежные насосы, как правило, многоступенчатые
секционные. Некоторые из этих насосов погружного типа, с под-
244
Рис. 3.38. Насос полурегенерированного раствора поташа:
1 — вал; 2 — рабочее колесо; 3 — корпус; 4 — крышка корпуса; 5 — торцевое уплотнение.
шипниками, расположенными в проточной части, которые сма-
зываются перекачиваемым продуктом.
Конденсатные насосы представляют самую распространен-
ную по конструкции группу консольных одноступенчатых насо-
сов. Рабочее колесо располагается на конце вала. Ротор вра-
щается в подшипниках качения, установленных в опорной час-
ти. Корпус насоса имеет осевой подвод и тангенциальный (или
перпендикулярный оси) отвод жидкости. Уплотнение вала саль-
никовое или торцовое. В качестве привода насоса, как прави-
ло, используются электродвигатели. Насосы просты по конст-
рукции.
Турбокомпрессорные установки
Компрессоры, применяемые в производстве аммиака, пред-
назначены для сжатия воздуха, природного газа, газообразного
аммиака и азотоводородной смеси.
Компрессором обычно называют машину, которая имеет
промежуточное охлаждение газа в процессе сжатия. Абашины,
которые работают без охлаждения, называют нагнетателями.
Степень сжатия машин, применяемых в производстве аммиака,
составляет 8—40.
В соответствии с принципом действия компрессоры делятся
на объемные, лопастные и струйные. По конструктивному при-
знаку объемные компрессоры делят на поршневые и роторные,
а лопастные — на центробежные и осевые.
В производствах аммиака применяют поршневые и центро-
бежные машины, причем в относительно крупных агрегатах —
только центробежные.
Выбор того или иного типа компрессора определяется необ-
ходимыми степенью сжатия и объемной производительностью.
Для сжатия природного газа и воздуха в агрегатах аммиака
мощностью 600 и 1360 т/сут применяют центробежные компрес-
соры, воздушные имеют подачу до 60000 м3/ч, компрессоры для
сжатия природного газа — до 40000 м3/ч. Давление нагнетания
составляет до 36-105 Па у воздушных компрессоров и до
46-10® Па — у компрессоров природного газа.
Для сжатия азотоводородной смеси применяют два типа
компрессоров: поршневые и центробежные. Поршневые компрес-
соры работают в области подачи от 16 000 до 50 000 м3/ч, цент-
робежные компрессоры— 180000—190000 м3/ч при давлении
нагнетания до 320-10® Па. На меньшую подачу при давлении
нагнетания 320-10® Па центробежные компрессоры азотоводо-
родной смеси не разработаны, что обусловлено трудностями
создания очень узких колес на последних ступенях сжатия. Од-
нако при уменьшенном давлении нагнетания (до 150-10® Па)
центробежные компрессоры для сжатия азотоводородной смеси
нашли широкое применение в агрегатах с меньшей производи-
тельностью.
246
3,5-10s Па
^-конденсатор----------пар, конденсат
^-турбокомпрессор Л-паровая турбина
. , , поршневой
а&-бинтовой насос -О - дасос
В -электродвигатель _₽-> _ поршневои
' компрессор
©- центробежный насос _дымосос,
газодувка
Рис. 3.39. Основные компрессорные установки в производстве аммиака и насосы, обес-
печивающие нх работу:
/ — компрессор для азотоводородной смеси; 2 — компрессор для природного газа; 3 — ком-
прессор для воздуха; 4— компрессор для аммиака; 5, 6 — дымососы печи риформинга;
7— поршневой компрессор для воздуха; 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14— насосы смазочного и
уплотнительного масла; 15, 16, 17, 18 — насосы откачки конденсата от паровых турбин.
Применение центробежных компрессоров в производстве ам-
миака повысило надежность работы агрегатов и позволило при-
менить схему без установки резервных машин.
При переходе на турбинный привод преимущества центро-
бежных компрессоров проявились в еще большей степени. Была
достигнута компактность установки, снижена металлоемкость,
стала возможной блочная поставка турбокомпрессоров, несколь-
ко снизились удельные затраты энергии на сжатие газов. Экс-
плуатационная надежность таких компрессорных агрегатов
позволила эксплуатировать агрегаты по выпуску аммиака с ос-
тановкой на ремонт один раз в год. За счет этого дополнитель-
но были снижены ремонтные расходы, по сравнению с ремонт-
ными расходами при обслуживании поршневых компрессоров.
Применяемые в современном крупном агрегате синтетическо-
го аммиака компрессорные установки включают в себя собст-
венно центробежный компрессор, привод (электродвигатель или
паровую турбину), межступенчатую аппаратуру и коммуника-
ции, конденсационную установку для пара, если приводом слу-
247
жит паровая турбина, насосы и систему смазочного масла, а
также насосы и систему уплотнительного масла.
На рис. 3.39 приведены основные компрессоры установки
аммиака и насосы, обеспечивающие их работу. К ним относят
компрессор для сжатия азотоводородной смеси 1, компрессор
для сжатия природного газа 2, компрессор для сжатия возду-
ха 3, компрессор для сжатия аммиака 4, применяемый в уста-
новках с аммиачной компрессионной холодильной установкой,
а также вентилятор дымовых газов печи риформинга (дымо-
сос), и поршневой компрессор для сжатия воздуха, подаваемого
в контрольно-измерительные приборы. Каждая компрессорная
установка обеспечена насосами смазочного и уплотнительного
масла 9—14, а их приводные турбины — насосами конденсата
15, 16, 17, 18.
Работу компрессорных установок обеспечивают основной и
резервный насосы смазочного масла, а также насосы уплотни-
тельного масла низкого, среднего и высокого давления 9—14.
Компрессоры, как правило, имеют общую с приводными тур-
бинами систему смазочного масла. Гидравлическое регулирова-
248
Рис. 3.40. Схема компрессорной установки
для воздуха:
1 — воздушный фильтр: 2 — паровая турби-
на привода; 3 —корпус низкого давления;
4 — редуктор; 5 — корпус высокого давле-
ния; 6 — аппарат воздушного охлаждения;
7 — сепаратор; 8 — аппарат воздушного ох-
лаждения; 9 — сепаратор; 10 — аппарат
воздушного охлаждения; 11 — сепаратор;
12 — клапан антипомп-ажиой защиты; 13 —
сборник; 14 — насосы откачки конденсата;
15 — сборник конденсата; 16, 17 — клапаны
отбора и подачи конденсата в сборник;
18 — эжекторная установка; 19 — конденса-
тор паровой турбины; 20 — регулятор.
(Р — измерения давления; Т — измерение
температуры; Р — измерение перепада дав-
ления; СТ — сигнализация температуры^
РТ — регул крова ине температуры; У — из-
мерение уровня, БУ — блокировка уровня;
СУ — сигнализация уровня; СР — сигнали-
зация давления. ПК — предохранительный
клапан; АЗ — антццомпажная защита).
ние турбин также осуществляется маслом от общей маслосис-
темы.
Воздух для производства аммиака, сжимаемый в компрес-
сорной установке для воздуха, забирается из атмосферы и очи-
щенный от пыли в комбинированном фильтре 1 (рис. 3.40) по-
ступает в центробежный компрессор. Центробежный компрессор
для сжатия воздуха состоит из двух корпусов 3, 5, в каждом из
которых имеются две секции. Между корпусами установлен по-
вышающий редуктор 4 с передаточным числом 2,038. Привод
компрессора осуществляется от паровой конденсационной тур-
бины 2.
Мощность турбины составляет около 1200 кВт, давле-
ние пара на входе 40,5-105 Па, давление пара после турбины
0,32-10s Па (давление в конденсаторе).
Подача компрессора составляет 55000—60000 м3/ч воздуха
(0 °C и 0,7.10s Па) .
Номинальное число оборотов ротора корпуса низкого давле-
ния составляет 5250, ротора корпуса высокого давления
—10700 об/мин.
249
Давление всасываемого воздуха составляет 0,97-10® Па, дав-
ление нагнетания — 35,6-10® Па. В первой секции воздух сжи-
мается до 2-105 Па, при этом температура его достигает 175—
195 °C. Сжатый в первой секции воздух поступает в холодиль-
ник 6 с воздушным охлаждением^ трубки которого имеют ореб-
рение. Поверхность охладителя составляет около 5600 м2.
Вентилятор (п=1460 об/мин, мощность двигателя 22 кВт),
прогоняющий воздух через холодильник, имеет возможность
менять угол атаки лопастей для регулирования температуры.
Воздух после холодильника с температурой 49 °C поступает
в сепаратор первой ступени 7 — вертикальный аппарат с сепа-
рирующей насадкой из металлической сетки.
После сепаратора воздух поступает во вторую секцию сжа-
тия компрессора, где сжимается до давления 7-10® Па. Темпе-
ратура воздуха после второй секции равна 195—215 °C. После
сжатия во второй секции воздух попадает во второй аппарат
воздушного охлаждения 8 с поверхностью 7200 м2.
После сепаратора второй ступени предусматривается отбор
воздуха на различные нужды производства.
В третьей секции воздух сжимается до 15,6-10® Па. Темпе-
ратура воздуха после третьей секции равна 165—185 °C. После
сжатия в третьей секции воздух направляется в аппарат воз-
душного охлаждения 10. Поверхность оребрения трубок в этом
холодильнике составляет 5200 м2. В холодильнике воздух ох-
лаждается до 49 °C и поступает в сепаратор третьей ступени
11, который так же, как и два предыдущих, представляет из се-
бя вертикальный аппарат с сепарирующей насадкой из метал-
лических сеток.
Из сепаратора третьей ступени воздух поступает в четвер-
тую секцию, где сжимается до давления 35,6-10® Па. Темпера-
тура в конце сжатия должна быть не выше 175 °C.
Во всех сепараторах предусмотрены сигнализация и блоки-
ровка для остановки компрессора при повышении уровня кон-
денсата. Повышение температуры на нагнетании каждой сек-
ции контролируется, сигнал поступает на контрольный пульт
управления.
Компрессор снабжен антипомпажной защитой. Антипомпаж-
ная система при необходимости позволяет произвести сброс воз-
духа в атмосферу через клапан 12 и поддерживать рабочий ре-
жим компрессора в некотором удалении от границы помпажа.
Каждый корпус компрессора имеет блокировку по осевому сдви-
гу ротора.
Регулирование подачи компрессора в пределах 80—100%
осуществляется изменением числа оборотов турбины.
На выходном трубопроводе после компрессора установлены
клапан и электрозадвижка, которые закрываются при падении
расхода воздуха в конверторе метана, при падении расхода га-
зовой смеси в трубчатой печи и по другим технологическим
параметрам. При закрытии клапана и электрозадвижки подача
250
Рис. 3.41. Корпус низкого давления компрессора воздуха:
1 — нижний корпус; 2 — ротор; 3 — рабочее колесо; 4 — верхняя крышка.
воздуха на нагнетание прекращается и автоматически открыва-
ется сброс воздуха на свечу.
В трубопровод после компрессора постоянно подается пар
с давлением 37—42-105 Па и температурой 370—380°С. Непре-
рывная подача пара предотвращает обратный ход горячего газа
из конвертора метана при аварийных остановках компрессора.
На рис. 3.41 изображен корпус низкого давления компрессо-
ра воздуха. Корпус имеет шесть ступеней с двухсторонним вса-
сыванием, в каждой секции по три рабочих колеса. Для огра-
ничения утечки воздуха из корпуса применяются лабиринтовые
уплотнения.
На рис. 3.42 приведена компрессорная установка для сжатия
природного газа от 8-105 Па до 44-105 Па. Для поддержания
постоянного давления природного газа на всасывании в ком-
прессор после задвижки с дистанционным управлением устанав-
ливают регулятор 2, который поддерживает постоянное давле-
ние природного газа на входе в компрессор—(74-9)-105 Па.
В некоторых схемах предусмотрена также стабилизация темпе-
ратуры на входе в компрессор.
251
Рис. 3.42. Схема компрессорной установки для сжатия природного газа:
1 задвижка с дистанционным приводом; 2— регулятор давления; 3—дегазатор; 4 —
давления; 8 — антипомпажный клапан; 9 — корпус высокого давления; 10, 20 — узел до
воздушного охлаждения; 14 — конденсатор турбины; 15 — сборник конденсата; 16 — иасо
эжекторная установка.
До компрессора природный газ проходит сепаратор 4, пред-
назначенный для защиты компрессора от возможного попада-
ния в него жидкой фракции природного газа. В сепараторе ав-
томатически поддерживается постоянный уровень. Сброс жид-
ких углеводородов из сепаратора производится в специальный
дегазатор 3.
При переполнении сепаратора выше определенного уровня
компрессор природного газа автоматически останавливается.
Компрессоры, применяемые для сжатия природного газа в
252
сепаратор; 5 — аппарат воздушного охлаждения; 6 — турбина; 7 — корпус низкого
зирования азотоводородной смесн; 11 — сепаратор; 12 — регулятор уровня; 13 — аппарат
сы для конденсата; 17— клапан выдачи конденсата; 18— конденсатор эжекторов; 19—
крупных аммиачных установках, могут быть трех типов: двух-
корпусные с промежуточным охлаждением, двухкорпусные без
промежуточного охлаждения и однокорпусные без промежуточ-
ного охлаждения. Наиболее распространены двухкорпусные
компрессоры с промежуточным охлаждением (см. 3.42). В этих
компрессорах газ после первого корпуса 7 под давлением
19-10® Па при 140°C поступает в воздушный холодильник 13,
где охлаждается до 50 °C и, пройдя сепаратор 11, поступает для
сжатия во второй корпус 9. Межступенчатый воздушный холо-
253
дильник снабжен вентилятором с электродвигателем. Холодиль-
ник имеет оребренные трубки с поверхностью оребрения
1850 м2. Выделяющаяся в сепараторе И влага, также как и во
входном сепараторе 4, автоматически отводится в дегазатор 3.
Во втором корпусе природный газ сжимается до давления
44-105 Па и имеет в конце сжатия температуру не выше 155°C.
При этих параметрах он поступает в риформинг.
Количество поступающего природного газа должно быть не
выше 37200 м3/ч и не ниже 32000 м3/ч. При снижении количест-
ва подаваемого природного газа ниже некоторой величины на-
ступает режим помпажа, который характеризуется периодичес-
ким изменением потребляемой мощности и выходного давле-
ния. В результате работы компрессоров в режиме помпажа
возможен выход из строя упорных подшипников, уплотнений
и т. п.
Для предотвращения явлений помпажа на компрессоре
предусмотрена противопомпажная защита, для чего газ пере-
пускают с нагнетания второго корпуса на вход первого через
специальный холодильник 5. Перепуск газа производится спе-
циальным антипомпажным клапаном 8. Предварительно при
достижении некоторого минимального расхода природного газа
(32000 м3/ч) подается предупреждающий сигнал.
В компрессорной установке для сжатия природного газа
предусмотрено введение в природный газ азотоводородной сме-
си для гидрирования различных органических соединений серы
в сероводород в сероочистных аппаратах.
При нормальном технологическом режиме дозирование осу-
ществляется в линии нагнетания компрессора 10. Количество
дозируемой азотоводородной смеси достигает 17% по объему
от расхода природного газа.
В тех случаях, когда компрессор азотоводородной смеси ос-
танавливается, дозирование производят в линию всасывания 20
перед компрессором природного газа. Для этой цели имеется
регулятор на линии азотоводороднбй смеси после отделения ме-
танирования. В эту же линию предусматривается подача азото-
водородной смеси из сети.
Для поддержания постоянным давления природного газа
перед трубчатой печью имеется регулятор, который может из-
менять число оборотов турбины в зависимости от давления.
Для предотвращения аварий и поломок в компрессорной ус-
тановке предусматриваются различные блокировки, которые ав-
томатически останавливают компрессор при нарушениях как в
самом компрессоре, так и в системе его трубопроводов и вспо-
могательных устройств.
Блокировка по осевому сдвигу останавливает компрессор
при осевом перемещении ротора на один миллиметр. Осевое
смещение вала происходит при выходе из строя упорного под-
шипника.
254
Рис. 3.43. Корпус высокого давления компрессора природного газа:
/ — торцевая крышка; 2 — упорный подшипник; 3 — опорный подшипник; 4 — уплотнение; 5 — наружный корпус;
ё — внутренний корпус; 7 — ротор; 8— разгрузочный поршень,
При снижении давления смазочного масла в маслопроводе
после регулятора давления ниже установленной величины ком-
прессор также должен быть остановлен. В противном случае не-
достаток смазочного масла приведет к перегреву и выходу из
строя как опорных, так и упорных подшипников. Для предот-
вращения этого также имеется блокировка.
В компрессорах природного газа применяют два вида кон-
цевых уплотнений: плавающего типа и механические. В уплотне-
ниях плавающего типа при нарушении подачи уплотнительного
масла возможен прорыв природного газа. Обязательным усло-
вием нормальной работы уплотнений является превышение дав-
ления уплотняющего масла над давлением газа. При уменьше-
нии разности давления между уплотнительным маслом и газом
компрессор автоматически останавливается. Заброс только очень
больших количеств влаги в проточную часть компрессора мо-
жет привести к повреждениям ротора и осевому сдвигу ком-
прессора. Для предетвращения этого в компрессоре установле-
ны блокировки, останавливающие компрессор при повышении
уровня жидкости в сепараторах.
Кроме блокировок, останавливающих компрессор, имеются
также блокировки, производящие запуск резервных насосов
смазочного масла при снижении давления смазки.
Общий вид корпуса высокого давления компрессора для
сжатия природного газа показан на рис. 3.43. Корпус высокого
давления пятиступенчатый, с вертикальным разъемом, изготов-
лен из кованой стали. В нижней части корпуса расположены
приварные патрубки всасывания и нагнетания, направленные
вниз.
Диафрагмы компрессора цельнолитые из высокопрочного
чугуна. Все диафрагмы, кроме диафрагмы нагнетания, соедине-
ны с помощью стяжных шпилек в один узел, который имеет го-
ризонтальный разъем. Фиксирование и скрепление половин по
горизонтальному разъему осуществляется с помощью устано-
вочных штифтов и винтов. Собранный таким образом внутрен-
Рис. 3.44. Компоновка компрессора сннтез-газа:
I — корпус низкого давления; //— турбина; III— корпус среднего давления; IV — корпус
высокого давления; А, В, С — лабиринтовые уплотнения.
256
Рис. 3.45. Компоновка компрессора синтез-газа:
1 ~ корпус низкого давления; 2 — турбина расширения; 3 Конденсационная турбина;
4 — корпус среднего давления; 5 — корпус высокого давления
ний корпус, вместе с находящимся внутри ротором устанавли-
вается в наружный корпус. Для облегчения установки внутрен-
него корпуса на промежуточной диафрагме 3-ей ступени уста-
новлено два ролика.
Компрессор азотоводородной смеси (рис. 3.44) предназначен
для сжатия 176500 м3/ч (68600 кг/ч) до давления синтеза ам-
миака (320-105 Па) и подачи свежей смеси в установку синтеза
аммиака, а также для циркуляции 640000 м3/ч газа в отделении
синтеза.
В Советском Союзе применяют два типа компрессоров снн-
тез-газа, отличающихся по исполнению и компоновке: типом
приводных турбин, модификациями корпусов цилиндров, компо-
новкой, устройством систем уплотнительного и смазочного мас-
ла, числом оборотов.
Схемы этих компрессоров с указанием рабочих параметров
показаны на рис. 3.44 и 3.45.
Компрессор азотоводородной смеси состоит из трех корпусов
(рис. 3.46). Сжатие производится в четырех секциях, а также
в ступени рециркуляции газа, имеющей одно колесо. Число обо-
ротов компрессора может достигать 11270 об/мин. Компрессор
приводится во вращение от паровой турбины 1.
Азотоводородная смесь с давлением 24-10s Па и темпера-
турой 40 °C поступает из сепаратора метанирования в корпус
низкого давления компрессора 2. Корпус низкого давления со-
стоит из двух секций, в каждой из которых по пять рабочих
колес. Ход газа по секциям показан на рис. 3.46. Газ после пер-
вой секции с давлением (49—51)-105 Па и температурой 150 °C
подается на охлаждение в воздушный холодильник 3.
Холодильник 1-ой ступени — двухэлементный, из углероди-
стой стали. Обдув его осуществляется вентилятором с электро-
двигателем мощностью 22 кВт, число оборотов 1450 об/мин.
Общая поверхность труб (с оребрением) составляет 4500 м2.
Для регулирования температуры газа лопасти вентилятора мо-
гут менять угол наклона. Изменение угла наклона лопастей
17—831
257
Рис. 3.46. Схема компрессорной установки азотоводородной смесн:
1 — турбина; 2 — корпус низкого давления; 3 — аппарат воздушного охлаждения; 4 — се-
тор; 8— корпус среднего давления; 9 —- аппарат воздушного охлаждения; 10 — сепаратор;
ны сброса; 14 — конденсатор; 15 — сборник конденсата; /6 — конденсатные насосы; 17—
пажныс клапаны.
производится дистанционно. После холодильника газ поступает
в сепаратор 4 Пой секции для отделения жидкой фракции.
После сепаратора Пой ступени газ поступает во П-ую сек-
цию компрессора, имеющую, так же как и Пая секция, пять ра-
бочих колес. Колеса I-ой и П-ой секций расположены в корпусе
низкого давления «спиной к спине». Во П-ой секции газ сжи-
мается до давления не выше 100-105 Па и температуры не вы-
ше 165 °C. После П-ой секции газ проходит последовательно два
258
паратор; 5 — аппарат воздушного охлаждения; 6 — аммиачный холодильник; 7 — сепара-
11 — корпус высокого давления; 12 — регуляторы конденсата из сепараторов; 13 — клапа-
байпасный клапан; 18 — клапаны выпуска; 19 — клапан конденсатора; 20—23 — антипом-
холодильника: холодильник с воздушным охлаждением (поверх-
ность 4820 м2) 5 и аммиачный холодильник 6 с поверхностью
теплообмена 6400 м2, где охлаждается с 50 °C до 8—10сС ис-
паряющимся аммиаком.
Далее газ поступает в Ш-ю ступень компрессора — корпус
среднего давления 8, где сжимается до давления 220-10® Па
при 130 °C. Третья ступень компрессора имеет десять рабочих
колес: первые пять колес направлены стороной всасывания к
17*
259
турбине, вторые пять колес установлены к ним тыльной сторо-
ной. Схема движения газа в корпусе среднего давления показа-
на на рис. 3.44.
После Ш-ей ступени газ поступает в двухэлементный холо-
дильник с воздушным охлаждением 9. Общая поверхность оре-
бренных труб составляет 3800 м2. Холодильник имеет дистан-
ционное регулирование температуры газа. В этом аппарате син-
тез-газ охлаждается до 49 °C и поступает в сепаратор Ш-ей сту-
пени 10— вертикальный цилиндрический агрегат, работающий
при высоком давлении. Толщина стенки аппарата около 200 мм.
После сепаратора Ш-ей ступени синтез-газ поступает в кор-
пус высокого давления 11, где расположена IV-ая секция сжа-
тия.
В IV-ой секции газ сжимается до 320-105 Па. Эта секция в
зависимости от модификации имеет шесть или семь рабочих
колес. Газ с температурой 115—145 °C после IV-ой секции (сту-
пени) поступает в воздушный холодильник, где охлаждается до
40—45 °C, и затем направляется в установку синтеза аммиака.
Холодильник IV-ой ступени — двухэлементный аппарат с воз-
душным охлаждением. Общая поверхность оребренных труб
составляет 7400 м2. Холодильник имеет автоматическое регули-
рование температуры, газа.
Кроме IV-ой секции сжатия синтез-газа в корпусе высокого
давления расположена ступень рециркуляции газа, в которую
поступает газ (640000 м3/ч) из установки синтеза, и после сжа-
тия до давления процесса направляется снова в установку син-
теза.
Общая мощность, потребляемая компрессором при нормаль-
ном технологическом режиме, составляет 28580 кВт, она слага-
ется из следующих величин: Гая секция — 6480, П-ая секция —
6650, Ш-ья секция — 7470, IV-ая секция — 5790, ступень рецир-
куляции— 2190 кВт.
Компрессор для сжатия синтез-газа спроектирован с учетом
отбора 6000 м3/ч газа после сепаратора Гой секции.
На всех сепараторах установлены регуляторы 12 для авто-
матического сбрасывания выделившегося из газа конденсата в
коллектор. Сепараторы снабжены приборами, сигнализирующи-
ми превышение уровня, и блокировками отключения компрессо-
ра при недопустимом повышении уровня. Кроме того, при по-
вышении температуры нагнетания выше допустимой срабатыва-
ют блокировки остановки компрессора, они установлены после
каждой секции сжатия.
Для предотвращения повышения давления на всасывающем
трубопроводе Гой ступени установлен предохранительный кла-
пан. Предохранительный клапан установлен также на трубопро-
воде всасывания во И-ую секцию.
На линии всасывания во П-ую секцию установлен клапан с
дистанционным управлением 13 для сброса синтез-газа для
сжигания на факел.
260
На трубопроводе нагнетания после П-ой ступени установ-
лен блок предохранительных клапанов. Блок предохранитель-
ных клапанов установлен также на трубопроводе нагнетания
циркуляционного газа.
Поддержание постоянного давления "синтез-газа в труЬопро
воде всасывания осуществляв гея регулятором числа обороток
паровой турбины. Сигнал на регулирование поступает от дат-
чика, установленного после сепара юра (влагоотделителя) уста-
новки метанирования.
Компрессор снабжен противопомпажпой защитой по корпу-
сам, для чего имеются клапаны перепуска газа из трубопрово-
да нагнетания I-ой секции в трубопровод всасывания I-ой сек-
ции. Для защиты П-ой секции служит клапан 20 перепуска га-
за из трубопровода нагнетания П-ой секции в трубопровод вса-
сывания Кой секции.
Для защиты корпуса среднего давления предусмотрен кла-
пан 21 для перепуска газа с нагнетания Ш-ей секции в трубо-
провод всасывания П-ой секции. Для защиты IV-ой секции
установлен клапан 22 перепуска газа из трубопровода нагнета-
ния IV-ой секции в трубопровод нагнетания Ш-ей секции.
Через эти клапаны работает компрессор по замкнутому кон-
туру в случае, когда газ не принимается на установку синтеза.
Этими клапанами производят более глубокое, чем позволяет
турбина, регулирование производительности компрессора. При
остановке компрессора происходит открытие этих клапанов.
Как отмечалось выше, регулирование подачи компрессора
осуществляют изменением числа оборотов ротора турбины в
пределах от 100 до 85%.
Газ, идущий на всасывание в компрессор синтез-газа, содер-
жит некоторое количество аммиака и диоксида углерода. При
Рис. 3.47. Корпус низкого давления компрессора азотоводородной смеси:
1 — концевое уплотнение плавающего типа; 2 — опорный многосегментный подшипник;
3 — вал; 4 — крышка корпуса; 5 — корпус; 6— рабочее колесо; 7 — диафрагма; 8— стяж-
ная шпилька; 9 — узел крепления крышки корпуса; 10 — упорный подшипник.
261
Рис. 3.48. Корпус среднего давления компрессора азоговодородной смеси:
1 — крышка корпуса; 2— корпус; 3— диафрагма; 4— рабочее колесо.
определенных условиях по давлению и температуре в результа-
те взаимодействия аммиака и диоксида углерода возможно об-
разование углеаммонийных солей. Выпадение солей в проточ-
ной части компрессора может вызвать эрозионные процессы и
засоление, что может привести к повреждению проточной части.
Для предотвращения выпадения углеаммонийных солей, кроме
поддержания необходимых технологических параметров, предус-
мотрен впрыск жидкого аммиака в трубопровод всасывания
1П-ей секции, для чего имеется специальный насос.
Компрессор синтез-газа имеет лучшую стабильность пара-
метров на всасывании, в то время как у компрессоров природ-
ного газа и воздуха на них влияют температура газа на всасы-
вании, изменение плотности газа и т. п. Общий вид корпусов
низкого, среднего и высокого давлений компрессора для сжа-
тия азотоводородной смеси показан на рис. 3.47—3.49.
Корпус низкого давления десятиступенчатый, разделен пе-
регородкой на две секции, в каждой из которых имеется по
пять рабочих колес. Корпус цельнокованый с вертикальным
разъемом, установлен на раме на четырех опорах. В каждой
опоре имеются болты для горизонтальной и вертикальной цент-
ровки корпуса.
Собранный пакет диафрагм вместе с ротором включает две
всасывающих, две направляющих и восемь промежуточных ди-
афрагм. Секции разделены перегородкой. На разделительную
перегородку действует перепад давления, равный разности дав-
лений нагнетания 11-ой и I-ой секций.
Торцевые крышки закрывают цилиндр корпуса с двух сто-
рон. Для уплотнения крышек используют резиновые О-образ-
ные кольца. В крышках корпуса смонтированы концевые уплот-
нения и подшипники. Для возможности разборки уплотнения
упорный диск сделан съемным. Особенностью конструкции яв-
ляется применение разъемного кольца, состоящего из двух по-
ловин для обеспечения его разборки и снятия диска.
262
Корпус среднего давления имеет две группы колес по пян>
колес в каждой. Две группы колес установлены в корпусе «спи
на к спине». По внутреннему обводному каналу в корпусе сред-
него давления газ перетекает из первой группы колес на всасы
ванне второй группы.
Корпус высокого давления может быть восьми- или семпсту-
пенчатым. Корпус имеет две группы колес, в одной из которых
установлены рабочие колеса, сжимающие свежий газ, а в дру-
гой— циркуляционное колесо. При этом ротор корпуса высоко-
го давления оказывается неуравновешенным в осевом направ-
лении, так как осевые усилия всех рабочих колес, кроме коле-
са циркуляционной ступени, направлены в одну сторону. Для
уравновешивания осевых сил па валу ротора между седьмым и
восьмым рабочими колесами (для восьмистунспча гого ротора)
установлены два разгрузочных поршня с лабиринтными уплот-
нениями. Один поршень уравновешивает секцию свежего синтез-
газа, а второй — колесо рециркуляции. Камеры разгрузочных
поршней соединены трубопроводом со входом в соответствую-
щие секции для перепуска газа и создания в камерах давления,
близкого к давлению всасывания.
Аммиачный компрессор в агрегатах аммиака служит для
поддержания заданного давления в расширительных сосудах
системы охлаждения. В компрессоре газообразный аммиак сжи-
мается до давления (24—25)-105 Па.
Компрессор включает в себя корпус низкого давления, в ко-
тором размещены Кая и П-ая секции, и корпус высокого давле-
ния, в котором расположена Ш-я секция сжатия. Корпус низко-
Рис. 3.49. Корпус высокого давления компрессора азотоводородиой смеси:
/ — упорно-опорный узел; 2— крышка; 3 — корпус; 4 —диафрагма; 5 — рабочее колесо.
263
го давления восьмиступенчатый, в каждой секции которого по
четыре ступени (рабочего колеса).
Компрессор приводится во вращение от паровой турбины,
Турбина привода аммиачного компрессора по конструкции ана-
логична турбине компрессора воздуха. Максимальная мощ-
ность турбины составляет 11370 кВт, а максимальное число обо-
ротов 6770 об/мин.
Газообразный аммиак на всасывание первой секции посту-
пает из трех мест: расширительного сосуда, холодильников и
изотермического хранилища. Давление всасывания составляет
около 0,95-10е Па, расход на всасывании равен около
9100 м3/ч.
Газообразный аммиак сжимается в Кой секции до 2,68-
• 105 Па и затем смешивается с парами аммиака из следующего
расширительного сосуда. Далее газообразный аммиак
(85390 нм3/ч) подается на всасывание П-ой ступени. Во П-ой
ступени аммиак сжимается до давления 7-105 Па и при темпе-
ратуре 95 °C поступает в межступенчатый воздушный холодиль-
ник.
После выхода из холодильника газообразный аммиак сме-
шивается с парами аммиака, выходящими из третьего расши-
рительного сосуда (18460 м3/ч) и с температурой не более 50 °C
подается на всасывание в Ш-ю секцию компрессора, которая
расположена в корпусе с горизонтальным разъемом с односто-
ронним всасыванием и имеет шесть рабочих колес. В Ш-ей сту-
пени аммиак сжимается до давления 25-10s Па и имеет темпе-
ратуру не более 190 °C. При этих параметрах аммиак поступает
в воздушный холодильник.
Общее количество сжимаемого в компрессоре аммиака при
нормальной работе агрегата составляет 103960 нм3/ч или
78700 кг/ч. После Ш-ей ступени, до холодильника, предусмот-
рен отбор газообразного аммиака в количестве до 36300 нм3/ч.
Антипомпажная защита компрессора построена на пере-
пуске газообразного аммиака с нагнетания Ш-ей секции отдель-
но на всасывание I-ой, П-ой, III -ей секций. Перепуск газа про-
изводится регуляторами расхода в соответствующие расшири-
тельные сосуды.
В холодильнике после Ш-ей секции аммиак при температу-
ре 54 °C конденсируется и собирается в ресивере.
Для понижения температуры газа на входе в каждую сек-
цию ступени компрессора в период пуска и при работе с откры-
тыми байпасами предусмотрена подача жидкого аммиака через
дроссельные шайбы в антипомпажные линии. Для защиты от
попадания жидкого аммиака в компрессор в каждом из трех
расширительных сосудов имеются блокировки для остановки
компрессора. Во всасывающих камерах каждого корпуса уста-
новлены регулирующие устройства — поворотные лопатки, кото-
рые позволяют вручную изменить подачу компрессора. Механизм
поворота лопаток состоит из зубчатого венца и входящих с ним
264
в зацепление двадцати трех ведомых шестерен, на валу кото-
рых установлены поворотные лопатки. Приводом зубчатого вен-
ца служит червячная передача, смонтированная снаружи корпу-
са. Для определения положения лопаток имеется градусная
шкала. Механизм позволяет зафиксировать лопатки в любом
заданном положении.
В агрегатах аммиака могут применяться другие машины
или совсем не применяться компрессоры для сжатия аммиака.
В некоторых агрегатах аммиака применяют компрессоры
АТКА-545, ТАТКА-545/345 с электроприводом. Тип и парамет-
ры работы компрессорного агрегата зависят от принятого типа
холодильной установки ,[1103].
Рассмотрим далее характерные конструктивные формы цен-
тробежных компрессорных машин производств аммиака. Основ-
ным элементом каждого компрессора является корпус. Корпус
является основной частью, в которой размещаются все узлы
турбокомпрессора: опорные и упорные подшипники, ротор, диф-
фузор, концевые и промежуточные уплотнения.
В компрессорах крупных агрегатов применяют корпуса с
горизонтальным или с вертикальным разъемом. Корпуса с го-
ризонтальным разъемом применяются до давления 50-10s Па,
с вертикальным — до 400-105 Па.
Корпус с горизонтальным разъемом состоит из двух частей,
которые стягиваются по параметру болтами. При снятии верх-
ней крышки корпуса открывается доступ к внутренним частям
компрессора. Всасывающие и нагнетательные патрубки могут
быть в зависимости от требований установки направлены либо
вверх, либо вниз.
Цилиндрические корпуса с вертикальным разъемом приме-
няют для средних и высоких давлений. В зависимости от вели-
чины давления торцевая крышка корпуса крепится либо болта-
ми, либо ее крепление осуществляется сегментным кольцом,
при этом обеспечение герметичности между корпусом и крыш-
кой достигается специальной прокладкой.
Корпус турбокомпрессора рассчитывают, как правило, на
максимальное давление—внутреннее давление, которое может
быть достигнуто в корпусе при наиболее жестких условиях ра-
боты.
Испытывают корпуса под давлением, составляющим 1,4 от
расчетного. К расчетной толщине стенки корпуса делают при-
бавку на коррозию, обычно это составляет около 3 мм. Приме-
няемые при расчете коэффициенты запаса по пределу текучес-
ти составляют 1,5 и по пределу прочности-—4.
Рабочие колеса устанавливают на вал на горячепрессовой
посадке.
На сварных рабочих колесах все доступные участки подвер-
гаются проверке методом цветной дефектоскопии.
После сварки рабочие колеса подвергают термообработке
для снятия напряжений. Литые рабочие колеса проверяют ме-
18—831
265
тодом точечной радиографии перед окончательной механичес-
кой обработкой.
Каждое рабочее колесо испытывают при повышенной ско-
рости вращения, составляющей 115% от максимальной рабо-
чей скорости. После этих испытаний каждое рабочее колесо
проверяется методом дефектоскопии.
В некоторых случаях при изготовлении роторов для различ-
ных секций рабочих колес используют различные материалы —
нержавеющую и углеродистую сталь.
Ротор турбокомпрессора обычно при конструировании рас-
считывают таким образом, чтобы первая критическая скорость
для жесткого вала была не меньше, чем на 20% выше макси-
мальной скорости вращения. Для турбокомпрессоров с гибким
валом первая критическая скорость на 15% ниже рабочей ско-
рости, вторая критическая скорость не менее, чем на 20% вы-
ше максимальной скорости вращения.
Ротор каждого корпуса турбокомпрессора опирается на два
опорных подшипника, которые воспринимают радиальные на-
грузки от веса ротора. Основными элементами опорных под-
шипников являются вкладыши, которые определяют конструк-
цию и тип подшипника. Известно большое число конструкций
подшипников, в турбокомпрессорах, работающих в производст-
вах аммиака, применяют многосегментные вкладыши.
Конструкция мпогосегментного опорного подшипника пока-
зана на рис. 3.50. Этот тип подшипников является наиболее
распространенным в современных турбокомпрессорах. Подшип-
ник состоит из корпуса 2 для удержания вкладышей и вклады-
шей 4, способных качаться в корпусе и удерживаемых от сме-
щения штифтами. Корпус вкладышей 3 устанавливают в состоя-
щий из двух половин корпус подшипника 2, который имеет
крышки 5.
Вкладыши подшипника из углеродистой стали имеют на-
плавку из баббита. Один вкладыш установлен в нижней части
корпуса и обеспечивает опору ротора при остановленном тур-
бокомпрессоре. Наружная поверхность вкладыша обработана
по меньшему радиусу, чем опорная поверхность корпуса вкла-
дышей. Это обеспечивает воз-
можность поворота подшипни-
ка относительно корпуса. Внут-
ренняя поверхность вкладыша
обработана по радиусу, соот-
ветствующему шейке вала.
При вращении вала в зазо-
ре между подшипниками и ва-
Рис. 3.50. Многосегментный опорный под-
шипник:
1 — крышка; 2 — корпус (из двух частей);
3 — корпус вкладышей; 4 — вкладыши; 5 —-
крышка.
266
лом под действием гидродинамических сил образуется масля-
ная пленка, в которой достигается значительное давление |НИ].
Попадающее в зазор масло стремится поднять переднюю кромку
вкладыша, при этом происходит одновременно уменьшение зад-
него зазора между вкладышем и валом. При таком перемеще-
нии образуется клиновидный зазор с переменной высотой по
длине вкладыша. В масляной пленке по мере сужения зазора
увеличивается давление.
Подшипники с многосекционпымн вкладышами применяют
для быстроходных, относительно легких роторов, они обладают
повышенной устойчивостью к возникновению радиальной вибра-
ции, так как способны демпфировать перемещение ротора в
различных радиальных направлениях.
В подшипниках с многосекционпымн вкладышами измере-
ние температуры производят практически в баббитовом слое.
При этом термопара подводится через просверленное отверстие
в корпус вкладыша. Для контроля за работой подшипников
измеряют также температуру масла на входе подшипника.
На турбокомпрессорах в азотных производствах применяют
упорные подшипники в основном сегментного типа с самоуста-
навливающимися колодками, которые поворачиваются на опо-
ре до оптимального угла, соответствующего данному режиму
работы. Упорные подшипники устанавливаются в одном корпусе
с опорным подшипником. Назначение упорного подшипника —
воспринимать осевую нагрузку, действующую на ротор. Пере-
дача осевой нагрузки от ротора к подшипнику происходит через
упорный диск, который устанавливается на роторе.
Основным требованием к конструкции подшипника являет-
ся обеспечение равномерного распределения нагрузки на все
опорные колодки.
Упорный диск конструируется с условием возможности его
протачивания и шлифования поверхностей при ремонтах.
Надежная работа упорного подшипника связана с выбором
места расположения опоры колодки. У всех подшипников центр
давления масла не совпадает с точкой опоры колодки. При та-
кой установке равнодействующая сила давления и реакция
опоры образуют пару сил, которая устанавливает колодку в
наклонном положении по отношению к плоскости упорного
диска.
В компрессоре азотоводородной смеси применяют модифи-
цированную конструкцию подшипника Митчелла — рис. 3.51.
В данной конструкции колодки опираются на полукольца, име-
ющие арочные выемы по числу колодок. Толщина перемычки
над колодкой рассчитана таким образом, что она может про-
гибаться под нагрузкой. Таким образом обеспечивается равно-
мерное распределение нагрузки по колодкам. Вкладыши этого
подшипника изготовлены из углеродистой стали и имеют баб-
битовую заливку. Вкладыш по опорной стороне обработан по
цилиндрической поверхности.
18*
267
Рис. .51. Упорный подшипник компрессора синтез-газа:
1 — крышка подшипника: 2 — вкладыш опорного подшипника; 3 — корпус вкладышей;
4 — корпус опорного подшипника; 5, 8 — вкладыши упорного подшипника; 6, 9 — опорные
диски; 7 — трущийся диск; 10 — корпус упорного подшипника; 11 — установочный винт..
Линии контакта с опорным диском сдвинуты по отношению
к оси сегмента в направлении вращения. При такой установке
образуется устойчивый масляный клин.
Для уплотнения вращающихся валов в компрессорах исполь-
зуют три основных типа уплотнения: торцевое, плавающее и
лабиринтное. Обычно в машинах используют их комбинации,
которые состоят из внутреннего и наружного уплотнения. На-
значение внутреннего уплотнения — отделить газовую полость
компрессора от запирающей среды (масла), находящейся под
давлением несколько более высоким, чем давление в газовой
полости. Эти функции обычно выполняют либо торцевые, либо
уплотнения с плавающими кольцами. Назначение наружного
уплотнения — отделить полость запирающей среды (масла) от
атмосферы. Эти уплотнения работают при значительных пере-
падах давления, и поэтому в качестве наружных уплотнений
обычно используют уплотнения с плавающими кольцами.
Лабиринтные уплотнения сопутствуют концевым уплотнени-
ям и выполняют, как правило, вспомогательную роль — создать
сопротивление продувочному газу, направляемому в маслоло-
вушку.
На рис. 3.52 приведена конструкция концевого уплотнения
с кольцами плавающего типа, которое используется в корпусе
низкого давления компрессора азотоводородной смеси. Конст-
рукции плавающих уплотнений благодаря своей надежности
нашли широкое применение в компрессорах, работающих в осо-
268
Рис. 3.52. Концевое уплотнение корпуса низкого давления:
1— наружное кольцо; 2 — подшипник наружного кольца; 3 — регулировочный винт; 4—
внутреннее кольцо; 5 — корпус уплотнения; 6 — лабиринтное уплотнение.
бо тяжелых условиях, и применяются в компрессорах производ-
ства аммиака до давления 340-105 Па (рис. 3.53).
Плавающее уплотнение состоит из корпуса 5, внутреннего
плавающего кольца 4, наружного плавающего кольца 1 вместе
с опорным подшипником 2. Плавающее уплотнение установле-
но за лабиринтным уплотнением 6, ограничивающим давление
газа перед ним. В пространстве между наружным и внутрен-
ним плавающими кольцами имеется избыточное давление мас-
ла. Для того, чтобы обеспечить одинаковый перепад между
уплотняющим маслом и газом со стороны входа и выхода газа
из компрессора, предусмотрен уравнительный трубопровод, со-
единяющий пространства после лабиринтных уплотнений со сто-
роны нагнетания и всасывания. Эти уравнительные линии
Рис. 3.53'. Концевое уплотнение корпуса высокого давления:
1 — корпус; 2 — наружное плавающее кольцо; 3 — подшипник наружного плавающего
кольца; 4 — внутреннее плавающее кольцо; 5 ~ корпус уплотнения; 6 — сотовое лабиринт-
ное уплотнение.
269
Рис. 3.54. Схема масляной системы смазочного и уплотнительного масла:
/ — турбина; 2 — компрессор низкого давления; 3 — компрессор высокого давления; 4 — бак-дегазатор; 5 — насосы смазочного масла; 6 — масло-
холодильники; 7 —маслофильтры; 8 — насосы уплотнительного масла; — Фильтры тонкой очистки; 10 — напорные баки; //—аккумулятор сма-
зочного масла; 12, 13, 14, /5 — регулирующие клапаны.
соединены трубопроводами с напорными баками уплотнитель-
ного масла. Так как напорные баки уплотнительного масла ус-
тановлены на высоте 4,5 м от оси турбокомпрессора, то в уп-
лотнение между плавающими кольцами масло подается под
давлением на 0,40-10Б Па выше, чем давление газа, что создает
гидравлический масляный затвор, предотвращающий утечку га-
за из корпуса наружу. Масло в уплотнении разделяется на два
потока: первый направляется через осевой зазор внутреннего
плавающего кольца в сторону лабиринтного уплотнения, смеши-
вается с газом, проходящим лабиринтное уплотнение, и выво-
дится из компрессора в маслоловушки. Из маслоловушек масло
направляется в бак-дегазатор.
Поток масла, проходящий наружное плавающее кольцо, на-
правляется в маслобак. Поскольку зазор между внутренним
плавающим кольцом и валом и перепад давления значительно
меньше, чем между наружным кольцом и валом, большая часть
масла вытекает через зазор наружу в маслобак, пройдя предва-
рительно бак-сепаратор, в котором масло отделяется от смеси
газа и воздуха. В баке-сепараторе имеется поплавковый затвор,
работающий по принципу поплавкового конденсационного горш-
ка: накапливающееся в нем масло приподнимает поплавок и
уходит в маслобак. Газ, выделившийся, из масла за время его
отстоя в баке-сепараторе, направляется для сжигания на свечу.
Систему смазочного и уплотнительного масла современных
турбокомпрессоров собирают из стандартных блоков. Стандарт-
ные блоки для системы смазки и уплотнения включают блок
подачи масла, блок подвода масла к узлам турбокомпрессо-
ров, типовой блок подачи и поддержания давления масла в
концевых уплотнениях и блок вывода масла из уплотнения.
На рис. 3.54 показана собранная из стандартных блоков
масляная система. Аналогичную масляную систему применяют
на компрессоре природного газа и аммиака. Система состоит из
маслобака с мерным стеклом. В баке устанавливается нагрева-
тель для повышения температуры масла перед пуском. Масло-
бак оборудован термометром и сигнализатором низкого уров-
ня масла. В маслобаках создана азотная подушка, а штуцер
наполнения имеет огнепреградитель. Из маслобака масло по-
дается в систему погружными насосами 5.
В качестве привода основного насоса используют паровую
турбину. При аварийной остановке основного насоса автомати-
чески включается вспомогательный насос.
Насосы смазочного масла — одноступенчатые, центробежные,
вертикального исполнения. На входе в насосы установлены
фильтры. Применяемая для привода насоса паровая турбина
вертикальная, с проточной частью, с горизонтальным разъемом
корпуса.
На линии нагнетания за насосом обычно устанавливают ре-
сивер смазочного масла 11. В ресивер подается под давлением
азот, что обеспечивает нормальную остановку компрессора на
271
имеющемся в резервуаре количестве смазочного масла при от-
казе вспомогательного насоса. Ресивер также сглаживает давле-
ние масла при переходе с главного на вспомогательный масло-
насос. Ресивер оборудован мерным стеклом и регулятором
уровня.
На трубопроводе после насосов установлены маслоохлади-
тели 6 из двух параллельно работающих элементов. Маслоохла-
дитель имеет перепускную линию с вентилем. Перепускная ли-
ния необходима для заполнения маслом находящегося в резерве
элемента перед его включением в работу. Далее установлены
два масляных фильтра 7. Фильтры работают поочередно, пере-
ключение их производится по мере загрязнения. Сопротивление
фильтров измеряется дифференциальным манометром: при чи-
стом фильтре величина сопротивления составляет около 0,35-
-106 Па. Фильтр переключают, когда сопротивление увеличива-
ется до 1,2 -105 Па.
Давление масла, поступающего для смазки подшипников и
муфт, поддерживается редукционным клапаном 12 в интервале
(1,7—2,0)-10s Па. За редукционным клапаном поток масла раз-
деляется на два: один поступает в блок уплотнительного масла,
а второй — в блок подвода смазки к узлам турбокомпрессора.
На трубопроводе подачи смазки к узлам турбокомпрессора
установлены манометр и три реле, с которых подается сигнал
включения вспомогательного насоса и остановки турбокомпрес-
сора. Включение вспомогательного насоса происходит при давле-
нии в трубопроводе, равном 1,4-105 Па. Масло от основного тру-
бопровода подводится через трубопроводы с регулируемыми
дроссельными шайбами ко всем узлам смазки турбокомпрессора.
Дроссельными шайбами можно регулировать расход масла че-
рез каждый подшипник. Для наблюдения за поступлением мас-
ла на каждый подшипник имеются смотровые лючки на линиях
слива. Выходящее из подшипников и зубчатых муфт масло соби-
рается в коллекторе и направляется в маслобак.
Второй поток масла направляется на всасывание винтовых
насосов 8, которые сжимают масло и подают его в уплотнитель-
ную систему. Винтовые насосы (основной — с приводом от па-
ровой турбины и вспомогательный — с приводом от электродви-
гателя), сжимают масло до 36-105 Па. На линии нагнетания на-
сосов установлены предохранительные клапаны и манометры.
Пройдя винтовые насосы, масло поступает в фильтры 9 на тон-
кую очистку от твердых частиц с тонкостью фильтрации до
10 микрон.
В трубопроводе нагнетания за винтовыми насосами давление
поддерживается на (3—4)-10^ Па выше давления газа в конт-
рольной линии. Для поддержания давления используют регуля-
тор 13
Из трубопровода нагнетания через регулирующие клапаны 14
и 15 масло поступает в уплотнения корпусов низкого и высокого
давлений, а также в напорные баки 10. Регулирующие клапаны
272
14 и 15 поддерживают постоянный (0,65-105 Па) перепад дав-
ления между газом и уплотнительным маслом.
Масло, поступающее в уплотнение, подается между наруж-
ным и внутренним плавающими кольцами. Проходящее через
внутреннее масляное кольцо масло смешивается с газом, прохо-
дящим через лабиринтное уплотнение в уплотнительной камере.
Из этой камеры отбирается так называемый «контрольный газ».
Из уплотнительных камер масло в смеси с газом вытекает в
ловушки. По мере наполнения уровень масла в ловушках повы-
шается, и всплывающий поплавок открывает игольчатый кла-
пан. Через игольчатый клапан масло сливается в дренажный
бак, а затем в бак-дегазатор 4.
В баке-дозаторе при 65 °C происходит дегазация масла. На-
грев масла производится змеевиковым подогревателем. Выде-
лившийся газ отводится на факельную установку.
Напорные баки 10 установлены на высоте 5,8 м от оси комп-
рессора. В напорных баках имеется запас масла, необходимый
для нормальной остановки турбокомпрессора в случае отказа
насосов, нагнетающих масло.
Абсорбционно-холодильная установка
Абсорбционная водоаммиачная холодильная станция имеет
в своем составе: две установки с температурой испарения минус
12 °C холодопроизводительностью 29,3 гДж/ч/1 (АХУ-7/12) и
28,5 ГДж/ч|*(АХУ-6,8/12), одна установка с температурой испа-
рения плюс 1 °C холодопроизводительностью 10,5 ГДж/ч
&(АХУ-2,5/1) и одна установка с температурой испарения минус
34 °C холодопроизводительностью 8,4 ГДж/ч5(АХУ-2/34).
Обе установки с температурой испарения минус 12 °C пред-
назначены для обеспечения холодом испарителя жидкого аммиа-
ка агрегата синтеза и конденсации газообразного аммиака, ис-
паряющегося при переохлаждении продукционного аммиака.
В установке холодопроизводительностью 29,3 ГДж/ч в качест-
ве теплоносителя используют утилизационный перегретый водя-
ной пар давлением 4,5-105 Па с температурой 160°C.
В установке холодопроизводительностью 28 ГДж/ч в качест-
ве теплоносителей используют парогазовую смесь после отпар-
ной колонны газового конденсата давлением 2,6-105 Па с на-
чальной температурой 126 °C и конвертированную парогазовую
смесь после кипятильников МЭА под давлением 28-105 Па с на-
чальной температурой 140 °C.
Разность между общей потребностью в холоде и холодопро-
изводительностью установки АХУ-6,8/12 определила холодопро-
изводительность установки АХУ-7/12.
Установка с температурой испарения +1 °C предназначена
для обеспечения холодом компрессора синтез-газа.
273
Для выделения продукционного аммиака из синтез-газа, а
также из танковых и продувочных газов цикла синтеза и его
охлаждения до минус 33,4 °C (с этой температурой аммиак мо-
жет подаваться в изотермическое хранилище) в агрегатах про-
изводства аммиака используют аммиачно-холодильные установ-
ки. Кроме того, холод необходим для межступенчатого охлаж-
дения (на одной из ступеней) компрессора синтез-газа.
Охлаждение в агрегатах производства аммиака использует-
ся на уровне: +1 °C, —12 °C, —34 °C. Для этой цели в зависи-
мости от тепловой схемы всего агрегата производства аммиака
в одних случаях устанавливают аммиачные турбокомпрессор-
ные агрегаты с приводом от паровой конденсационной турбины,
потребляющей пар с давлением 40-К)5 Па, в других устанавли-
вают либо абсорбционно-холодильные машины, либо абсорбци-
онно-холодильные машины в сочетании с компрессионными.
В качестве источника энергии в абсорбционно-холодильных
установках используют тепло технологических газов и пара с
давлением (4,5—6)-10s Па.
Работа абсорбционных машин осуществляется смесью рас-
творов, состоящей из двух компонентов. Эти растворы имеют
разные температуры кипения при одном и том же давлении.
Один компонент является холодильным агентом, другой — абсор-
бентом. В абсорбер поступает раствор с малой концентрацией
холодильного агента, где он поглощает пары холодильного
агента, образующиеся в испарителе.
Крепкий раствор из абсорбера подается в кипятильник, обо-
греваемый технологическим газом или водяным паром. Раствор
выпаривают, образующиеся пары холодильного агента сжижа-
ются в конденсаторе, а затем направляются в испаритель.
Для абсорбционно-холодильных установок в производстве
аммиака в качестве холодильного агента используют аммиак из
генераторов-ректификаторов установки ЛХУ-6,8/12 (28-105 Па,
123,5 °C).
Установка обеспечивает холодом (минус 34 °C) испарители,
где происходит удаление аммиака из танковых и продувочных
газов, и аппаратуру для переохлаждения продукционного ам-
миака. В качестве теплоносителя используют утилизационный
перегретый водяной пар давлением 6,3-105 Па с температурой
170 °C.
Все абсорбционно-холодильные установки разработаны про-
изводственным объединением «Техноэнергохимпром».
Технологическая схема
абсорбционно-холодильной установки
На рис. 3.55 приведена принципиальная технологическая
схема а бсорбционно-холодильной установки.
В генераторе-ректификаторе / аммиак выделяется из рас-
твора за счет тепла технологического газа или водяного пара.
Пары аммиака поступают в дефлегматор 2, где окончательно
очищаются от водяных паров и поступают далее в конденсатор
воздушного охлаждения 3, где происходит его конденсация при
давлении 16-105 Па. Жидкий аммиак поступает в ресивер 4,
откуда подается в переохладитель и затем поступает в испари-
тель 6. В испарителе давление охлажденного аммиака снижа-
ется в дроссельном устройстве до 2-10s Па. Там же происходит
охлаждение циркуляционного синтез-газа и выделение из него
продукционного аммиака за счет испарения жидкого аммиака
на теплообменной поверхности. Пары аммиака из испарителя 6
поступают в межтрубную часть переохладителя 5 и далее —
в абсорбер 7.
Слабый водоаммиачный раствор из куба и генератора-рек-
тификатора 1 проходит теплообменник 9, регулирующий дрос-
сельный вентиль (Р.В.) и поступает на орошение в абсорбер.
Из абсорбера крепкий аммиачный раствор собирают в реси-
вер 8, откуда он насосом 11 через трубчатку дефлегматора 2 и
теплообменника 9 подается на орошение в генератор-ректифи-
катор 1.
Характеристика основного оборудования
Генератор-ректификатор (рис. 3.56) представляет собой
вертикальный кожухотрубчатый аппарат пленочного типа с теп-
лообменными трубками диаметром 38 мм. Аппарат состоит из
трех основных частей: теплообменной, ректификационной и ку-
бовой.
Крепкий аммиачный раствор подают в ректификационную
часть аппарата в кольцевую перфорированную трубу 6. Раствор
равномерно орошает слой металлических колец Рашига 5. Че-
рез отверстия в колосниковой решетке 9 аммиачный раствор по-
падает в теплообменную часть аппарата, стекая по внутренней
поверхности теплообменных труб 4. В межтрубное пространст-
во теплообменника через штуцер 3 подают теплоноситель (во-
дяной пар или горячий технологический газ),- который затем
сбрасывают через штуцер 1. В трубчатом теплообменнике из
аммиачного раствора испаряется большая часть аммиака, под-
нимается вверх, проходит слой колец Рашига и поступает на
колпачковые тарелки 7, которые орошаются флегмой, поступа-
275
Рис. 3.55. Принципиальная схема абсорбционно-холодильной установки:
1 генератор-ректификатор; 2— дефлегматор; 3 — конденсатор воздушного охлаждения; 4 — ресивер жидкого аммиака; 5 — переохладитель; 6 —
испаритель; 7 —абсорбер; 8-ресивер крепкого раствора; 9 - теплообменник; 10 — сетчатые фильтры; // — насос; 12 — сборник; 13 — воздухоохла-
дитель; /4 — ресивер; /5 — отделитель аммиака; 16, 17 — влагоотделители.
Рис. 3.56. Генератор-ректификатор:
1, 3, в —штуцеры; 2 —корпус генератора;
4 — трубчатый теплообменник; 5 — метал-
лические кольца Рашига; 6 — кольцевая
перфорированная труба; 7 — колпачковые
тарелки; 9— колосниковая решетка; 10—
кубовая часть аппарата.
ющей из дефлегматора. Здесь
в верхней части аппарата про-
исходит окончательная ректи-
фикация аммиака, который по-
кидает его через штуцер 8 и
поступает в дефлегматор. Сла-
бый аммиачный раствор из
труб теплообменника 4 пода-
ется в кубовую часть аппарата
10 и далее через выносной сек-
ционный теплообменник посту-
пает на абсорбцию аммиака.
Если теплоносителем явля-
ется водяной пар, аппарат из-
готавливают из углеродистой
стали (насадка — из стали
08X13), если технологический
газ — из нержавеющей стали
типа 1Х18Н10Т.
Аппарат воздушного охлаждения
В аппаратах воздушного охлаждения (рис. 3.57) аммиач-
ные пары, поступающие из дефлегматора, конденсируются.
Аппараты воздушного охлаждения выполнены в виде гори-
зонтальных секций, расположенных зигзагообразно. Секции
всех аппаратов собраны из оребренных труб диаметром 25 мм и
толщиной стенки 2 мм, коэффициент оребрения 14,6. Оребрение
выполняется из алюминия.
Секции аппаратов обдуваются потоком воздуха, нагнетаемо-
го осевыми вентиляторами, установленными совместно с приво-
дами под секциями. Воздух от вентилятора проходит через
диффузор, попадает на ребристую поверхность труб и охлажда-
ет протекающий по ним аммиак.
Производительность аппарата зависит от температуры окру-
жающего воздуха и регулируется изменением угла наклона ло-
пастей вентилятора. Изменение производительности автомати-
чески регулируемого вентилятора обеспечивает поддержание
постоянной температуры продукта на выходе из аппарата при
суточном изменении температуры окружающего воздуха на
ю°с:;
277
видд
Рис. 3.57. Аппарат воздушного охлаждения для конденсации аммиака.
OOQil
Рис. 3.58. Абсорбер.
На случай, когда температура окружающего воздуха превьь
шает расчетную, аппараты снабжены узлами увлажнения.
В зимний период возможно поочередное отключение элект-
родвигателей и остановка вентиляторов, поскольку охлаждение
происходит за счет естественной конвекции. Для предотвраще-
278
ния переохлаждения аммиака аппараты снабжены жалюзийны-
ми устройствами. Аппарат изготавливают из углеродистой
стали.
Абсорбер
Абсорбер (рис. 3.58) представляет собой блок кожухотруб-
чатых элементов пленочного типа. В абсорбере происходит по-
глощение паров аммиака слабоаммиачным раствором. Тепло
абсорбции отводится охлаждающей водой оборотного цикла.
Для равномерного орошения раствором теплопередающих
труб в каждом элементе в верхней его части предусмотрены
распределители. Слабый водоаммиачпый раствор поступает на
этот распределитель и через отверстия в нем равномерно плен-
кой стекает по теплопередающим трубам. Пары аммиака пода-
ются в межтрубное пространство элементов через специальный
коллектор. При перетекании по смоченным поверхностям труб
элементов слабый водоаммиачпый раствор поглощает пары ам-
миака и, насыщаясь, поступает в ресивер крепкого раствора.
Каждый элемент абсорбера представляет собой горизонталь-
ный кожухотрубчатый аппарат с неподвижными трубными ре-
шетками, диаметр трубок 25x2 мм. Корпуса аппаратов изготав-
ливают из углеродистой стали типа 16ГС, внутренние части —
из нержавеющей стали типа 08X22116T.
Глава 4
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
СОВРЕМЕННОГО АГРЕГАТА
ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА
Автоматизированная система управления
технологическим процессом (АСУ ТП)
Агрегат производства аммиака с точки зрения управления
имеет следующие особенности: последовательная технологиче-
ская структура, при которой выход из строя или даже времен-
ная разгрузка одной из стадий приводит к резкому изменению
режима работы всего агрегата; отсутствие промежуточных ем-
костей и жесткие связи между отдельными стадиями; большая
мощность агрегата, определяющая необходимость длительного
цикла его непрерывной работы; большое число контролируемых
параметров технологического процесса (до 1000).
Создание систем управления объектами подобного типа по-
требовало принципиально нового подхода. Это определялось не
279
только спецификой самих объектов, но и явным несоответстви-
ем между техническими решениями, применяемыми ранее в об-
ласти автоматизации и возросшими возможностями средств ав-
томатики и вычислительной техники.
Особенности крупнотоннажных агрегатов аммиака вызвали
необходимость постановки ряда новых задач и выявили недо-
статки существующих систем управления, построенных на базе
пневматических средств контроля и автоматизации. В первую
очередь это относилось к традиционному «щитовому» способу
представления информации.
Огромные щиты управления, достигающие в длину 60—
100 м, с большим количеством операторов, отвечающих за ра-
боту отдельного производственного участка, уже не обеспечива-
ли требуемой согласованности и оперативности в управлении
крупнотоннажными агрегатами.
Наличие большого числа контролируемых параметров при-
вело к необходимости решения задачи рационального представ-
ления ее операторам, что стало возможным только путем ис-
пользования современной электронной аппаратуры на базе вы-
числительной техники.
Важнейшим требованием к системе управления современных
агрегатов аммиака явилось обеспечение высокой надежности
управления процессом, исключающей возникновение аварийных
ситуаций, т. к. остановка агрегата связана с большими эконо-
мическими потерями.
Большая единичная мощность агрегата вызывает необходи-
мость выбора наиболее рациональных режимов работы, т. к. да-
же незначительное улучшение экономических показателей при-
водит к существенному эффекту в абсолютном выражении.
АСУ ТП агрегата синтеза аммиака обеспечивает централи-
зованный контроль параметров процесса па цифровых, самопи-
шущих и аналоговых приборах; предупредительную и аварий-
ную сигнализацию отклонения параметров технологического
процесса от допустимых значений; дистанционное управление
регулирующими и запорными органами; дистанционную аварий-
ную и плановую остановку производства; дистанционный пуск
основных стадий; периодическую печать параметров; автомати-
ческое регулирование параметров процесса; расчет технико-
экономических показателей производства и выдачу их на циф-
ровые указатели, цифробуквенную печать и дисплей; расчет оп-
тимальных режимов работы и выдачу управляющих воздействий
на задатчики некоторых регуляторов; контроль срабатывания
защиты, анализ предаварийных, аварийных и послеаварийных
ситуаций.
Система строится по блочному принципу и по своей струк-
туре состоит из четырех автономных подсистем.
Подсистема автоматической стабилизации, которая обеспе-
чивает регулирование основных технологических параметров
280
i
процесса и своевременное снятие возмущений, возникающих в
производстве.
Подсистема аварийной защиты, которая служит для пред-
отвращения аварий, возможных в результате отказов апнара
туры, механизмов машин или ошибочных действий операторов.
Информационная подсистема, которая предназначена для
представления оператору обработанной информации о техноло-
гическом процессе и выдачи сигналов об отклонении парамет-
ров на мнемосхему, цифровую индикацию, вычислительную
подсистему и обычные шкальные приборы, установленные на
щите.
Рис, 4.1. Принципиальная схема связи функциональных блоков АСУ ТП с технологиче-
ским процессом.
19—831
281
Вычислительная подсистема, которая обеспечивает матема-
тическую и логическую обработку информации в соответствии
•с заложенными программами, выработку и выдачу управляю-
щих воздействий на задатчики некоторых регуляторов. Матема-
тическое обеспечение этой подсистемы состоит из алгоритмов
первой и второй очереди. К первой очереди относятся алгорит-
мы первичной обработки информации, контроля срабатывания
защитных блокировок и расчета технико-экономических пока-
зателей. Ко второй — алгоритмы, реализующие задачи опти-
мального управления.
На рис. 4.1 показана принципиальная схема связи функцио-
нальных блоков АСУ ТП с технологическим процессом.
В нормальном режиме функционирует первый управляющий
вычислительный комплекс (УВК), а второй УВК находится в
«горячем» резерве. Переключение первого УВК на второй про-
исходит автоматически.
Структура управления
Управление агрегатом осуществляется из центрального
пункта управления (ЦПУ), который территориально размеща-
ется в центре агрегата. В этом же здании в смежных помеще-
ниях размещаются машинный зал для двух ЭВМ, помещение
для регулирующих и функциональных блоков, соединительных
кроссов, а также помещение распределительного пункта авто-
матики (РПА) с релейными щитами защитных блокировок и
аварийно-предупредительной сигнализации.
В непосредственной близости от ЦПУ располагается анали-
тическая лаборатория и мастерская для текущего мелкого ре-
монта КИПиА.
Связь ЦПУ со всеми стадиями производства осуществляется
с помощью телефонной и громкоговорящей связи. Кроме того,
для визуального контроля за уровнем в паросборнике и машин-
ным оборудованием в отделении компрессии предусматриваются
промышленные телевизоры.
Рабочие места операторов. Рабочими местами операторов
являются три пульта и щит управления. Агрегатом аммиака уп-
равляют три оператора.
Оператор первого пульта управляет: компрессорами природ-
ного газа и воздуха, сероочисткой, первичным и вторичным ри-
формингом, системой парообразования РОУ и ОУ.
Оператор второго пульта управления — конверсией СО I- и
П-ой ступеней; моноэтаноламиновой очисткой, метанированием,
разгонкой газового конденсата.
Оператор третьего пульта — компрессором синтез-газа, син-
тезом, аммиачно-холодильной установкой.
На пультах операторов расположены органы управления ос-
новными регуляторами: величины задания, переключения рода
работ регуляторов «автомат» и «ручное», кнопки управления от-
282
секателями и задвижками с электроприводами, кнопки вызова
параметров на цифровые приборы.
На вертикальной приборной части пультов находятся стре-
лочные приборы, показывающие величину текущего значения
регулируемых параметров, величину задания параметров, ве-
личину рассогласования значения параметров и заданий, а так-
же величину значений сигналов на регулирующие клапаны.
Щит управления длиной 10—12 м располагается перед пуль-
тами оператора. На щит вынесены регистрирующие приборы
регуляторов, параметров, включенных в систему защитных бло-
кировок.
Параметры, имеющие второстепенный, вспомогательный ха-
рактер, вынесены на приборы, расположенные па вспомогатель-
ном щите справа и слева от центральной части. Здесь же рас-
полагаются органы управления вспомогательными регулято-
рами.
На щите, сверху над приборами, расположена мнемосхема
технологического процесса с лампами аварийно-предупреди-
тельной сигнализации.
Рядом с пультом оператора располагаются экраны элект-
ронно-лучевых трубок (станции индикации данных — СИД или
дисплей). Вызов необходимой группы технологических пара-
метров осуществляется с клавиатуры дисплея нажатием соот-
ветствующих клавиш. При этом па экране дисплея последова-
тельно появляются: заголовок таблицы, строки параметров с
указанием в каждой строке шифра параметра и признака от-
клонения от нормы, текущее значение, значения режимных гра-
ниц, размерность и наименование параметра.
Информация в печатном виде формируется вычислительным
комплексом периодически (один раз в час) и по требованию-
оперативного персонала в зависимости от состояния технологи-
ческого оборудования.
Печатная информация имеет заголовок, дату, время (часы,
минуты), колонку усредненных и интегрированных значений
параметров.
Расчет и печать
технико-экономических показателей (ТЭП)
ТЭП включают в себя комплексные количественные и сто-
имостные хозрасчетные параметры, позволяющие оценить эф-
фективность работы агрегата и фиксировать выполнение пла-
новых заданий.'
Расчет ТЭП проводят на основании интегральных значений
расходов материальных потоков, скорректированных по темпе-
ратуре и давлению.
Для расчета сменных показателей принимаются среднеча-
совые значения расходов природного газа на агрегат, отдельно
на технологический процесс и топлива; танковых и продувочных
19*
283
.газов на сжигание; пара на технологию и выдаваемого в завод-
скую сеть; моноэтаноламинового раствора; питательной воды;
газообразного и жидкого аммиака.
В результате расчета ежесменно фиксируется процент вы-
лолнения планового задания, себестоимость аммиака и прибыль.
Количества природного газа (общее и отнесенное к 1 тонне
выработанного аммиака), газообразного и жидкого аммиака,
.избыточного водяного пара, а также процент выполнения пла-
на, себестоимость жидкого аммиака и полученная прибыль фик-
сируются в суточных ТЭП.
Фиксация аварийных режимов агрегата. В тех случаях, ког-
да нарушения технологических параметров выходят за заранее
установленные пределы, срабатывает система защитных блоки-
ровок и производится автоматическая частичная или полная
остановка агрегата. В предаварийный и аварийный моменты
вычислительный комплекс ведет регистрацию значений, откло-
няющихся от нормы технологических параметров. Интервалы
опросов групп технологических параметров, отклонение кото-
рых от нормы может вызвать остановку агрегата, в зависимо-
сти от режима работы алгоритма лежат в пределах от 5 до
120 с.
При нарушении каким-либо параметром аварийных устано-
вок начинается учащенный опрос групп параметров и прекра-
щается стирание накопленной информации из памяти. Аварий-
ная информация записывается в память вычислительного комп-
лекса для последующего ее анализа и параллельно выводится
во внешнюю память или перфоленту с последующей ее распе-
чаткой оперативным персоналом для определения причины и
времени срабатывания защитной блокировки, приведшей к ча-
стичной или полной остановке агрегата.
Оптимальное управление. Система управления современным
агрегатом производства аммиака предусматривает оптимальное
управление отделением конверсии метана, расчет оптимального
режима отделения конверсии оксида углерода и блоков паро-
генерации, расчет оптимального статического режима отделе-
ний синтеза и компрессии (синтезгаз и циркуляционный газ),
•оптимизацию температуры реактора синтеза аммиака и опти-
мальную координацию режимов в отделениях агрегата.
В качестве критерия оптимального управления агрегатом
производства аммиака выбран экономический — максимальная
прибыль производства при выработке продукта заданного ка-
чества.
Расчет оптимального режима базируется на определении оп-
тимальной программы изменения потребления агрегатом при-
родного газа.
Вычислительный комплекс по алгоритму оптимального уп-
равления определяет затраты производства на выработку про-
дукции (аммиака) при всех возможных режимах работы, а за-
284
тем из всех этих режимов выбирает режим, дающий паиболь
тую прибыль.
Рассчитанный оптимальный режим сравнивается с реаль-
ным режимом технологического процесса и определяется целе-
сообразность перехода на оптимальный режим. Управляющий
вычислительный комплекс отрабатывает управляющие воздей-
ствия на задатчики локальных регуляторов соответствующих
параметров [105—111].
Система защиты агрегата
Для перевода агрегата синтеза аммиака в положение без-
опасности при аварийных нарушениях технологического режи-
ма предусмотрена подсистема защитных блокировок. Эта под-
система хотя и работает автономно, аппаратурпо связана с под-
системами локального регулирования и вычислительного комп-
лекса.
Жесткие требования к безопасности ведения технологиче-
ского процесса выдвигают требования повышенной надежности
к подсистеме защитных блокировок.
Увеличение надежности подсистемы достигается за счет
применения на наиболее ответственных параметрах системы
датчиков «два из трех», подтверждения необходимости сраба-
тывания защитной блокировки по изменению «косвенных» па-
раметров, исключения возможности ложного срабатывания за-
щитной блокировки при разрыве электрической цепи, окислении
контактов, выхода из строя приборов и т. д. (при нормальном
технологическом режиме контакты датчиков разомкнуты); авто-
матического перевода агрегата производства аммиака в поло-
жение безопасности при полном или частичном исчезновении
питания подсистемы защитных блокировок электроэнергией (ка-
тушки электромагнитных клапанов, управляющих подачей
командного воздуха на пневмоприводы отсекателей — при нор-
мальном технологическом режиме — находятся под током и
обесточиваются только при срабатывании защитной блокиров-
ки); использования аккумуляторных батарей на время, необхо-
димое для остановки агрегата; резервирования питания пневмо-
приводов отсекателей из ресивера сжатого воздуха в течение
1 ч; применения отсекателей с пневмоприводами, перемещение
запорных органов у которых в положение «открыто» или «за-
крыто» при исчезновении' давления командного воздуха осуще-
ствляется сжатой пружиной; установки в агрегате соответству-
ющие типов отсекателей по принципу работы «воздух открыва-
ет» и «воздух закрывает».
Подсистема защитных блокировок может работать как авто-
матически при аварийных изменениях определенных технологи-
ческих параметров, так и от нажатия специальных кнопок на
пультах операторов.
285
Важнейшие защитные блокировки агрегата аммиака объеди-
нены в три группы:
первая группа осуществляет автоматически или дистанцион-
но (нажатием кнопки на пульте оператора) остановку всего
производства за исключением вспомогательного котла трубча-
той печи и системы парообразования:
вторая группа прекращает подачу воздуха в агрегат и ос-
танавливает компрессор азотоводородной смеси;
третья группа при падении расхода топливного газа в горел-
ки вспомогательного котла полностью останавливает агрегат.
Все операции по частичной или полной остановке агрегата в
результате работы подсистемы защитных блокировок фиксиру-
ются и запоминаются вычислительной подсистемой.
Типовой контур регулирования
технологического параметра
На рис. 4.2 показана структурная схема контура регули-
рования практически любого технологического параметра: рас-
хода, уровня, давления, температуры и т. д. В контурах изме-
няются только датчики.
Токовый сигнал 0—5 мА от датчика 1, пропорциональный
измеряемому параметру технологического' процесса, поступает
в измерительный блок 2, на миллиамперметр 6 на пульте, пока-
зывающий или регистрирующий прибор 5 на щите и ЭВМ 4.
Измерительный блок сравнивает выходной сигнал от датчи-
ка с сигналом задания требуемого значения параметра на вы-
ходе из задатчика 7 и формирует сигнал рассогласования от
-—2,5 В до +2,5 В, который поступает на вход пропорциональ-
Рис. 4.2. Структурная схема типового контура регулирования технологического пара-
метра:
7—датчик; 2 — измерительный блок ИО4; 3— регулирующий блок аналоговый Р12; 4—
управляющий вычислительный комплекс ЭВМ; 5 — вторичный прибор на щите; 6 — мил
лиамперметр на щнте; 7 — ЗУ 11—задатчик величины параметра — потенциометрический
задатчик; 8 — блок указателей; 9 — блок переключения режимов работы регулятора 5"
«ручное»—«автомат» БУ 12; 10 — электропиевмопозиционер; И — регулирующий клапан:
с пневмоприводом; 12 — блок прецизионного интегрирования БПИ.
Рнс. 4.3. Структурная схема типового контура дистанционного управления регулирую-
щим клапаном, одновременно являющимся отсекателем:
/—ЗУ 05 — задающее устройство; 2 — кнопка управления отсекателем «Открыто — Закры-
то»; 3— электромагнитный трехходовой клапан; 4— позиционер; 5 — регулирующий кла-
пан-отсекатель; 6 — преобразователь «Ток — воздух».
286
яо-интегрально-дифференциального (ПИЙ) аналогового регу-
лятора 3. Регулятор 3 стремится поддерживать равенство сиг-
налов параметра и задания (рассогласование равно пулю) поз
действием на технологический поток посредством регулирую
.щего клапана И.
Токовый сигнал 0—5 мА из регулятора 3 через блок перс
ключения режимов работы 9 поступает на вход электроппевмо-
позиционера 10, где формируется пневматический командный
сигнал, управляющий мембранным или поршневым приводом
регулирующего клапана 11.
Величины рассогласования сигналов текущего значения тех-
нологического параметра и задания показываются на пульте на
блоке указателей 8. На второй шкале этого блока указывается
величина токового сигнала, поступающего из регулятора 3 на
клапан 11.
Блок 9 служит для переключения регулятора 3 из ре-
жима «ручное дистанционное управление клапаном» в режим
«автоматическое управление клапаном».
В том случае, когда контур регулирования используется в
режиме оптимального управления технологическим процессом,
в контур добавляется блок прецизионного интегрирования 12.
Этот блок преобразует временно-импульсный командный сиг-
нал от управляющего вычислительного комплекса (УВК) в ана-
логовый сигнал 0—5 мА на входе в измерительный блок 2.
Типовой контур дистанционного
управления клапаном
На рис. 4.3 приведена схема дистанционного управления
регулирующим, запорно-регулирующим и запорным клапанами.
Токовый сигнал 0—5 мА от задающего устройства 1 посту-
пает на вход в электропневматический преобразователь 6.
Пневматический управляющий сигнал 0,2—1 • 105 Па из пре-
образователя 6 поступает на вход позиционера 4, который уп-
равляет мембранным или поршневым приводом клапана 5.
Если регулирующий клапан используется как отсекатель, то
на линии подачи пневмосигнала от позиционера 4 на мембрану
устанавливается электромагнитный вентиль 3, управляемый
электрическим сигналом от кнопочного поста 2.
В зависимости от типа пневматического привода клапана
«ВЗ» или «ВО» электромагнитный клапан 3 сбрасывает в ат-
мосферу или подает воздух на мембрану или поршень клапана.
Аппаратурное оформление АСУ ТП
Значительное расстояние между отдельными узлами агре-
гата производства аммиака, большие скорости газовых потоков,
высокая динамика протекания реакции превращения предопре-
•287
делили выбор практически безынерционных электронных
средств контроля и регулирования.
Датчики. В качестве датчиков расхода, уровня, давления
используют взрывозащищенные (по водороду) электронные
приборы с выходным сигналом 0—5 мА, специально разрабо-
танные для АСУ ТП агрегатов аммиака.
Поскольку все технологическое оборудование, кроме отделе-
ния компрессии, расположено на открытых площадках, датчики
для исключения возможности замерзания измеряемой среды и
снижения класса точности из-за колебания температуры окру-
жающей среды устанавливают в обогреваемых шкафах.
Связь датчиков с ЭВМ и приборами в центральном пункте
управления осуществляется с помощью многожильных кабелей,
которые прокладываются по технологическим и специальным
эстакадам на кронштейнах и в лотках.
На рис. 4.4 показана принципиальная схема электрического
манометра взрывозащищенного типа.
Работа манометра основана на принципе электрической си-
ловой компенсации.
Измеряемое давление среды Р’ преобразуется чувствитель-
ным элементом измерительного блока 1, в перемещение, кото-
рое передается через рычажную систему 2, 3 на сердечник 4.
Отрабатываемый при этом индикатором рассогласования 5
электрический сигнал усиливается полупроводниковым усилите-
лем 6 и подается в катушки силового механизма, создающего
усилие, препятствующее перемещению сердечника. Этот сигнал
является также выходным сигналом манометра.
Таким образом, в приборе реализуется принцип силовой
Гис, 4.4. Принципиальная схема электрического манометра взрывозащищениого типа:
6-у^л^^Т-ЭлектЬомагнйтРЫЧаГИ: 4~ сердечник; 5-индикатор рассогласования;
288
Рис. 4.5. Принципиальная схема дифференциального сильфонного электрического мано-
метра взрывозащищенного типа:
/ — компенсатор; 2, 5 — чувствительные элементы; 4 — кольцо; 5 —пружина; 6 — измери-
тельный блок* 7— мембранный вывод; 8, 10— рычаги; 9 лента; 11* корректор «пуля»,
12 — разделитель сильфонный; 13 — трубка; 14 — индикатор рассогласования; /5 — сердеч-
ник ферромагнитный; 16 — электросиловой механизм обратной связи, 17 — полость; 18 —
сердечник ферромагнитный; 19 — усилитель.
компенсации, т. е. усилие, развиваемое чувствительным элемен-
том при изменении измеряемого давления, уравновешивается
усилием, создаваемым силовым механизмом обратной связи при
протекании по его катушкам тока выходного сигнала, пропор-
ционального измеряемому давлению. Конструктивно манометр
состоит из измерительного блока преобразователя и усилителя.
На рис. 4.5 приведена принципиальная схема дифференци-
ального электрического манометра взрывозащищенного типа,
предназначенного для выдачи стандартного (0—5 мА) электри-
ческого сигнала постоянного тока о величине контролируемого
перепада давления жидких или газообразных сред. Преобразо-
вание контролируемого перепада давления в выходной электри-
ческий сигнал постоянного тока осуществляется по линейному
закону.
Принцип действия датчика основан на электрической сило-
вой компенсации. Контролируемый перепад давлений, равный
р2—Ри создает на чувствительном элементе измерительного
блока входное усилие Р, передаваемое через рычажный кинема-
тический механизм, состоящий из рычагов 8 и 10, на преобра-
зователь. Данное усилие автоматически уравновешивается уси-
лием, развиваемым электросиловым механизмом обратной
связи 16 при протекании по его катушкам постоянного тока 1,
являющимся одновременно выходным сигналом дифманометра.
При изменении входного усилия происходит незначительное
(несколько мкм) перемещение рычажной системы и жестко свя-
занного с ней сердечника 15 индикатора рассогласования 14 и
сердечника 18 электросилового механизма обратной связи 16.
При этом в индикаторе рассогласования 14 возникает сигнал
переменного напряжения UBX, который поступает на вход усили-
теля 19, усиливается в нем по напряжению и мощности и вы-
прямляется.
В виде унифицированного сигнала постоянного тока данный
сигнал поступает в обмотки катушек электросилового механиз-
ма обратной связи 16, а также в последовательно соединенную
с ними (катушками) линию дистанционной передачи с нагруз-
кой RH. Горизонтальная часть рычага 10 через сильфонный
разделитель 12 введена в трубку 13 из антимагнитного материа-
ла, внутренняя полость которой 17 заполнена кремнийорганиче-
ской жидкостью для улучшения демпфирования подвижной си-
стемы. С помощью пружинного корректора «нуля» 11 произво-
дится точная установка начального («нулевого») значения вы-
ходного сигнала.
Настройка дифманометра на определенный предельный но-
минальный перепад давления производится перемещением лен-
ты 9, передающей усилие с рычага 8 на рычаг 10.
Конструктивно прибор состоит из собственно дифманометра
и блока питания. В свою очередь дифманометр состоит из из-
мерительного блока, преобразователя и усилителя. Измеритель-
ный блок 6 содержит два сильфонных чувствительных элемента
2 и 3 и узел рычажного мембранного вывода 7.
Для защиты измерительного блока от односторонней пере-
грузки при нарушении герметичности мембранного вывода, а
также в случае односторонней подачи давления в конструкции
предусмотрены два резиновых кольца 4 и пружины 5.
Внутренние полости сильфонов заполнены под вакуумом с
остаточным давлением 1 Па кремнийорганической жидкостью.
С целью компенсации изменения объема данной жидкости, вы-
званного изменением температуры, в конструкции предусмотрен
компенсатор 1, выполненный на сильфоне или мембране. Рычаг
узла мембранного вывода 7 уплотнен с помощью металличе-
ской плоской мембраны. Усилие, передаваемое на мембрану ра-
бочим давлением, воспринимается упругими лентами, удержи-
вающими рычаг от осевого смещения.
Конструкция узла рычажного мембранного вывода обеспечи-
вает возможность поворота рычага 8 относительно оси, образо-
ванной пересечением двух плоскостей — плоскости мембраны с
плоскостью расположения упругих лент.
Предусмотрена возможность регулирования положения ус-
ловной оси, что обеспечивает уменьшение влияния изменения
допускаемого рабочего избыточного давления на выходной сиг-
нал.
290
Рис. 4.6. Принципиальная схема буйкового электрического уровнемера взрывозащищен-
ного типа:
1 — индикатор рассогласования; 2 — ферромагнитный сердечник индикатора рассогласо-
вания; 3 — электросиловой механизм обратной связи, 4 — усилитель полупроводниковый;
5 — ферромагнитный сердечник электросилового механизма обратной связи; 6 — уравнове-
шивающий груз; 7 — корректор пуля; 8 — измерительный блок; 9 — рычыжный кинемати-
ческий механизм; 10 — металлическая мембрана; 11— чувствительный элемент (буек).
Внутренняя полость измерительного блока 6, соприкасаю-
щаяся с контролируемой средой, армирована рубашкой из не-
ржавеющей стали.
На рис. 4.6 показана принципиальная схема электрического
буйкового уровнемера взрывозащитного типа. Принцип действия
прибора основан на электрической силовой компенсации.
На погруженный в контролируемую среду буек 11 действу-
ет выталкивающая сила, величина которой зависит от глубины
погружения буйка и, следовательно, от уровня контролируемой
среды.
Усилие, развиваемое выталкивающей силой F через рычаж-
ный кинематический механизм 9 передается на преобразова-
тель и вызывает перемещение ферромагнитного сердечника 2.
В индикаторе рассогласования возникает сигнал переменного
напряжения C7Bblx, поступающий на вход усилителя 3. Этот сиг-
нал в усилителе 4 усиливается по напряжению, мощности и вы-
прямляется. Из усилителя 4 сигнал уже в виде унифицирован-
ного постоянно-токового сигнала поступает на обмотки катушек
электросилового механизма обратной связи 3 и в последователь-
но соединенную с ними линию дистанционной передачи с на-
грузкой RH. Магнитное поле, возникшее в магнитопроводе элек-
тросилового механизма обратной связи в результате протека-
ния по его обмоткам постоянного тока, взаимодействуя с по-
движным ферромагнитным сердечником 5 создает усилие Q,
291
уравновешивающее входное усилие, развиваемое выталкиваю-
щей силой F.
Конструктивно уровнемер состоит из двух частей: собствен-
но уровнемера и блока питания. В свою очередь, уровнемер со-
стоит из измерительного блока, преобразователя и усилителя,
оформленных конструктивно как единое целое.
Измерительный блок 8 содержит чувствительный элемент
(буек) 11, подвешенный к концу рычага рычажного кинемати-
ческого механизма 9 и уравновешенный с другого конца грузом
6. Вывод рычага из области статического давления в емкости
с контролируемым уровнем уплотнен с помощью металлической
мембраны 10 узла мембранного вывода. Усилие, передаваемое
на мембрану рабочим давлением, воспринимается двумя упруги-
ми лентами, удерживающими рычаг от осевого смещения. Кон-
струкция узла мембранного вывода обеспечивает возможность
поворота рычага рычажного кинематического механизма 9 от-
носительно условной оси, образованной пересечением двух пло-
скостей— плоскости мембраны с плоскостью расположения уп-
ругих лент. Кроме того, в конструкции предусмотрена возмож-
ность регулирования положения условной оси (изменением плос-
кости расположения упругих лент), что обеспечивает уменьше-
ние влияния изменения рабочего давления на выходной сигнал.
В измерительный блок встроен корректор «нуля» 7, пред-
назначенный для регулирования нулевого значения выходного
сигнала. Полость «А», ограниченная корпусом и крышкой,—
герметична. Преобразователь вместе с усилителем предназначен
для преобразования усилия, создаваемого выталкивающей си-
лой контролируемой жидкости, в пропорциональный усилию то-
ковый выходной сигнал.
На рис. 4.7 приведена упрощенная структурная схема уси-
лителя датчика расхода, давления и уровня.
В звене 1 объединены усилитель переменного напряжения,
фазочувствнтельный демодулятор и фильтр. Звено 2 представ.-
Рис. 4.7. Структурная схема усилителя датчиков уровня, расхода, давления:
1 — звено, объединяющее усилитель переменного напряжения, фазочувствительный демо~
дулятор и фильтр; 2— усилитель постоянного тока (УПТ); 3 — звено жесткой обратной
связи; < 5 — звенья гибкой обратной связи; J7BX — выходное напряжение; UGn — опорное
напряжение; I — выходной ток; К2 — коэффициент усиления по постоянному току; Ki —
коэффициент усиления по переменному току; V— напряжение гибкой обратной связи;
J7Oc — напряжение жесткой обратной связи.
292
ляет собой усилитель постоянного тока (УПТ) с двумя oipitn.i
тельными обратными связями: жесткой (звено .?) и гибкой
(звенья 4 и 5). Применение обратных связей в усилителе посто-
янного тока позволяет стабилизировать его статический коэф-
фициент и эффективно использовать преимущества параллель-
ной коррекции (по сравнению с последовательной) в целях сни-
жения номиналов и уменьшения габаритов емкостей в коррек-
тирующей цепи усилителя.
Основное усиление осуществляется по постоянному току
7<2 = 4000 при нагрузке 2 кОм и выходном токе 20 мА. Коэффи-
циент усиления по переменному току выбран небольшим (Ki =
= 20) с тем, чтобы можно было обеспечить динамический диапа-
зон работы усилителя переменного тока, превышающий стати-
ческий более, чем в 50 раз, и получить высокое быстродействие
датчиков за счет исключения влияния насыщения.
Изображенный на рис. 4.7 усилитель позволяет получить-
входное сопротивление порядка 100 мОм при высоком коэффи-
циенте усиления по мощности. При этом появляется возмож-
ность увеличения на два порядка постоянных времени по интег-
ралу в корректирующей цепи за счет включения ее в цепь об-
ратной связи усилителя [112] .
Взрывозащигценность датчиков. Взрывозащшценность дат-
чиков по водороду достигается за счет заключения их состав-
ных частей, могущих воспламенить взрывоопасные смеси, во
взрывонепроницаемые оболочки, которые выдерживают давле-
ние взрыва и исключают передачу взрыва в окружающую взры-
воопасную среду. Прочность каждой взрывонепроницаемой обо-
лочки проверяют при ее изготовлении путем гидравлических
испытаний под избыточным давлением 6-105 Па, в течение не?
менее 1 мин. Для подвода кабеля к приборам имеется кабель-
ный ввод. Взрывонепроницаемость ввода достигается уплотне-
нием кабелей с помощью резиновых эластичных колец.
Регулирующие и функциональные блоки. В качестве регу-
лирующих и функциональных блоков применяют электронные
приборы с выходным и входным сигналом 0—5 мА Московского
завода тепловой автоматики с условным названием «Каскад».
Приборы щитового монтажа этой системы устанавливают на
пультах оператора. Измерительные, регулирующие и другие
блоки монтируют в специальных шкафах, которые устанавлива-
ют за центральным щитом управления.
Измерительный блок. Для суммирования с независимым мас-
штабированием четырех токовых сигналов, а также формирова-
ния сигнала задания и сигнала рассогласования в контурах
регулирования установлен измерительный блок И-04 (рис. 4.8).
Функциональная схема блока содержит измерительную
цепь 1, четыре узла гальванического разделения 2, генератор 3,
стабилизатор 4 и источник питания 5.
В измерительной цепи происходит преобразование входных,
токовых сигналов в сигналы напряжения, которые затем посту-
293
2,2 кОм
Рис. 4.8. Функциональная схема измерительного блока И-04:
/ — измерительная цепь; 2— узлы гальпанического разделения; 3 — генератор; 4— стаби-
лизатор; 5 — источник питания; КГЦ, КП 2, КПЗ, КП4— масштабные коэффициенты пе-
редачи.
пают на соответствующие узлы гальванического разделения,
построенные по принципу «модулятор — трансформатор — де-
модулятор». Модуляторы и демодуляторы этих узлов управля-
ются от встроенного генератора прямоугольных колебаний 3,
работающего на частоту 10 кГц.
При использовании блока И-04 в качестве устройства, фор-
мирующего сигнал рассогласования между входными токовы-
ми сигналами и сигналом задания, сигнал задания устанавли-
вается непосредственно на блоке с помощью ручки «корректор»,
.а также с помощью внешнего потенциометрического задатчика
ЗУ (см. рис. 4.3).
Выходной сигнал измерительного блока подается на высо-
коомный вход регулирующего блока, рассчитанный на подклю-
чение источников напряжения. Так как регулирующий блок
практически не нагружает выход измерительного блока, макси-
мальное значение безразмерного коэффициента пропорциональ-
ности по каждому каналу измерительного блока равно единице.
Сигнал рассогласования на выходе из измерительного блока
294
контролируется с помощью блока указателей В12. При подклю-
чении блока указателей В12 коэффициент пропорциональности
Лп уменьшается на 8—18%.
Регулирующий аналоговый блок. Регулирующий блок Р12
используется во всех контурах (см. рис. 4.3) регулирования тех-
нологического процесса агрегата производства аммиака. Блок
Р12 формирует пропорциональный (П), пропорционально-ин-
тегральный (ПИ) и пропорциопалыю-интегрально-дифференци-
альный закон (ПИД) регулирования с ограничением выходного
сигнала по максимуму и минимуму.
Функциональная схема регулирующего блока типа Р12 по-
казана на рис. 4.9. Схема содержит измерительную цепь 1,
прямой канал, состоящий из операционного усилителя 2, узла
ограничения 3 и нормирующего усилителя 4, реле 6 и источни-
ка питания 5.
В измерительной цепи происходит преобразование токовых
сигналов в сигналы напряжения и последовательное суммиро-
вание сигналов с целью выделения сигнала рассогласования.
На входе усилителя суммируются входной сигнал и сигнал
обратной связи, формирующий ПИД закон регулирования. Уси-
литель 4 преобразует выходное напряжение узла ограничения:
Рис. 4.9. Функциональная схема регулирующего аналогового блока Р12:
1 — измерительная цепь; 2 — операционный усилитель; 3 — узел ограничения; 4 — норми-
рующий усилитель; 5 — источник питания; 6 — реле; Кп — коэффициент пропорциональ-
ности; Тдф — постоянная времени дифференцирования; Тк — постоянная времени интегри-
рования; TJTR — отношение постоянной времени дифференцирования к постоянной вре-
мени интегрирования; К. — контакт ручного управления.
295
в токовый сигнал 0—5 мА, а также гальванически разделяет
входные и выходные цени блока. При ручном управлении за-
мыкается контакт К, срабатывает реле 6, и блок переводится
в режим слежения за токовым сигналом, поступающим на
«вход 5» от блока управления БУ-12 (см. рис. 4.3). В этом ре-
жиме прямой канал блока Р12 охватывается жесткой отрица-
тельной обратной связью, к его выходу подключается эквива-
лентная нагрузка и для ускорения процесса перезарядки кон-
денсаторов шунтируется сопротивление в цепи обратной связи,
определяющее время интегрирования.
В результате таких переключений обеспечивается безудар-
ный перевод регулятора из режима «ручного управления» в ре-
жим «автоматического управления». При настройке блока сиг-
нал рассогласования контролируется на гнездах А—Б, а вы-
ходной — на гнездах В—Г.
Блок управления аналогового регулятора. Блок управления
(БУ-12) обеспечивает ручное управление нагрузкой аналогово-
го регулирующего блока и безударное переключение с ручного
управления на автоматическое и обратно. Осуществляет комму-
тацию цепей нагрузки регулирующего блока, преобразует угол
Фнс. 4.10. Функциональная схема блока управления БУ-12:
1 — усилители; 2 — источники напряжения; 3 — спаренный потенциометр ручного управле-
ния: 4 — переключатель управления; 5 — источник питания; А — положение «автомат»;
Р — положение «ручное».
296
Рис. 4.11. Функциональная схема потенциометрического задающего устройства ЗУ11.
1 — проволочный потенциометр; 2, 3, 4 — штепсельные разъемы.
Рнс. 4.12. Функциональная схема блока указателей В12:
1 — миллиамперметр; 2 — микроамперметр; 3— добавочный резистор; 4— клеммы внеш*'
них соединений.
поворота потенциометра ручного управления в два синхронна
изменяющихся токовых сигнала.
Функциональная схема блока (рис. 4.10) содержит переклю-
чатель управления 4, два гальванически не связанных стабили-
зированных источника напряжения 2, спаренный потенциометр
ручного управления 3, два усилителя 1 и источник питания 5.
Переключатель управления 4, коммутирующий цепи нагрузок,
подключает их в режиме автоматического управления «А» к
выходным цепям аналогового блока, а в режиме ручного управ-
ления «Р» — к встроенному источнику тока. Встроенный источ-
ник тока состоит из стабилизированного источника напряже-
ния 2, регулируемого делителя 3 и усилителя 1. Последний пре-
образует выходное напряжение делителя в токовый сигнал 0—
5 мА. Для обеспечения безударного переключения аналогового
регулирующего блока из ручного режима в режим автоматиче-
ского управления блок БУ-12 имеет второй регулируемый ис-
точник тока, величина которого изменяется синхронно с измене-
нием тока ручного управления нагрузкой.
Задающее устройство. Прибор ЗУ11 предназначен для ис-
пользования в схемах автоматического регулирования в каче-
стве ручного потенциометрического задатчика. Он осуществля-
ет линейное преобразование угла поворота стрелки потенцио-
метра в сопротивление. Схема прибора (рис. 4.11) включает
проволочный потенциометр, три конца которого выведены на
штепсельный разъем. Ось потенциометра связана с ручным из-
менением задания. Шкала прибора имеет градуировку 0—100%.
Блок указателей. Блок указателей В12 предназначен для ви-
зуального контроля величины токового сигнала, поступающего
на электропозиционер регулирующего клапана, и сигнала рас-
согласования величины задания и измеряемого параметра. Блок
(рис. 4.12) содержит миллиамперметр с нулем в крайнем поло-
жении (ток на позиционер клапана) и вольтметр с нулем посе-
редине шкалы (рассогласование между измеряемым параметром
и заданием). Функциональная схема блока В12 содержит из-
297'
Фис. 4.13. Схема защитного устройства В01:
I — стабилизатор; 2 — клеммы внешних соединений.
мерительный прибор, состоящий из двух индикаторов: милли-
амперметра 1, имеющего диапазон измерения 0—5 мА, и мик-
роамперметра 2 со шкалой от —20 до 4-20 мкА. Этот микро-
амперметр и добавочный резистор 3 образуют схему вольтмет-
ра с диапазоном измерения —0,625 1-0,625 В, что соответст-
вует величине сигнала рассогласования от —25% до 4-25%.
Защитное устройство. Защитное устройство ВО1 предназна-
чено для защиты токовой цепи от обрыва линии или при от-
ключении и снятии на поверку или ремонт какого-либо прибо-
ра в контуре регулирования.
Схема защитного устройства (рис. 4.13) включает стабили-
затор, имеющий нелинейную волыамперпую характеристику.
Защитное устройство включается параллельно нагрузке. При
этом выключение нагрузки (прибора) не приводит к разрыву
токовой цепи [113].
Регулирующие клапаны и отсекатели. Реализация команд-
ных сигналов от электронных регуляторов и систем защиты осу-
ществляется с помощью исполнительных регулирующих орга-
нов с пневматическими мембранными или поршневыми приво-
дами.
Сочетание электронной системы регулирования и исполни-
тельных органов с пневматическими приводами выбрано на ос-
новании того, что пневматические приводы просты по устройст-
ву, надежны в эксплуатации и легко реализуют воздействие
аналоговых выходных сигналов регуляторов на технологиче-
ский процесс.
Подбором соответствующего типа пневмопривода («воздух
открывает» — ВО или «воздух закрывает»—ВЗ) обеспечивает-
ся автоматическое перемещение запорных органов на техноло-
гических трубопроводах в положение безопасности даже при
полном исчезновении электроэнергии и аварийном падении дав-
ления воздуха для питания пневмоприводов.
На рис. 4.14 показана принципиальная схема пневматиче-
ских мембранных приводов типа «ВО» и типа «ВЗ». Перемеще-
ние запорного или запорно-регулирующего клапана в положе-
ние безопасности при аварийной ситуации осуществляется сжа-
той при нормальном технологическом режиме возвратной пру-
жиной 4.
Регистрирующие приборы. В качестве регистрирующих при-
боров на щите управления используются серийные приборы ти-
па КСП-4 и КСУ-4.
298
Управляющий вычислительный комплекс. Управляющий вы
числительный комплекс состоит из двух параллельно вк ночей
ных ЭВМ М 6000, комплекты № 5. Эти комплексы часппшо
дополняются устройствами памяти, устройствами подготовки
данных и станциями индикации данных (СИД-дисплеямн). Оба
комплекта ЭВМ размещаются в специальном смежном с ЦПУ
помещении. Периферийное оборудование, необходимое для об-
служивания ЭВМ, устанавливается рядом со стойками процес-
соров.
Станции индикации данных — дисплей, устройство печати —
вынесены в помещение ЦПУ и установлены рядом с пультами
управления.
Газовый анализ. Практически весь газовый анализ осущест-
вляется с помощью автоматических газоанализаторов, объеди-
ненных в систему автоматического газового анализа «САГА».
Датчики системы «САГА» устанавливаю г в специальном
отапливаемом помещении — газоапализаторной.
Автоматизированная система управления
(АСУ ТПj аммиакопровода
Трубопроводы, предназначенные для транспортирования
жидкого аммиака, являются сложными технологическими си-
стемами. Большая протяженность аммиакопровода, достигаю-
щая в некоторых случаях нескольких тысяч километров, выдви-
гает необходимость применения эффективной быстродействую-
щей системы контроля и управления на базе современных
приборных средств контроля, автоматизации и электронных
вычислительных машин.
Рнс. 4.14. Принципиальная схема автоматического мембранного привода: А — «ВЗ» (воз-
дух закрывает), В — «ВО» (воздух открывает):
I — мембранный пневмопривод; 2 — электромагнитный трехходовой клапан; 3 электро-
зтневмоЕозкцноиер; 4 — возвратная пружина.
299
Основной задачей системы управления аммиакопроводом
является обеспечение транспортирования заданного количест-
ва жидкого аммиака, а также предупреждение, обнаружение и
ликвидация возможных утечек жидкого аммиака в случае раз-
уплотнения трубопровода.
С этой целью все головные и промежуточные насосные стан-
ции, сам трубопровод и конечные пункты аммиакопровода ос-
нащены необходимым количеством автоматических регулято-
ров, контрольно-измерительных приборов, устройствами ава-
рийно-предупредительной сигнализации и защитных блокиро-
вок.
На насосных станциях в электротехнических модулях име-
ются щиты с приборами контроля и регулирования. Здесь же в
специальном помещении, где установлен щит управления, раз-
мещаются устройства телемеханики, обеспечивающие передачу
сигналов от датчиков, установленных в насосной станции, в цен-
тральный пункт управления.
Эти же устройства телемеханики обеспечивают прием теле-
команд, посылаемых из центрального пункта управления.
Пуск насосной станции, опробование насосных агрегатов
осуществляются с местных щитов. Однако, управление с мест-
ных щитов возможно только в том случае, если из централь-
ного пункта управления будет получена разрешающая теле-
команда.
Управление аммиакопроводом при нормальной его работе,
контроль и управление работой насосных станций, линейных
постов секционирования, задание регуляторам на насосных
станциях, контроль станций катодной защиты и других уст-
ройств осуществляется с пульта из центрального пункта управ-
ления, располагающегося на территории завода в г. Тольятти.
Система регулирования головной насосной станции. На рис.
Рис. 4.15. Принципиальная схема автоматического регулирования головной насосной
станции:
1 — насос; 2 — патчила плотности; 3 — турбинный счетчик; 4 — фильтр; 5 — регулятор рао
хода; 6 — реле выбора сигнала; 7 — регулирующий клапан; 8— датчик давления на на-
гнетании; 9 — датчик давления на входе.
Рис. 4.16. Принципиальная схема автоматического регулирования промежуточной насос-
ной станции:
1 — иасос; 2— регулятор давления на входе; 3 — реле выбора сигнала; 4 — регулятор дав-
ления на нагнетании; 5 — регулирующий клапан; 6 — фильтр; 7 — турбинный счетчик.
300
Рнс. 4.17. Принципиальная схема автома-
тического регулирования потока аммиака
в конечном пункте доставки аммиака (в
г. Одессе):
1 — регулятор расхода; 2, 4 — регуляторы
давления; 3 — реле выбора сигнала; 5 — ре-
гулирующий клапан; 6 — датчик плотности;
7 — турбинный счетчик; 8 — фильтр.
4.15 показана принципиальная схема автоматического регули-
рования головной насосной станции. На головной насосной
станции регулируется заданное количество жидкого аммиака,
поступающего в аммнакопровод. Замер потока аммиака произ-
водят с помощью турбинного счетчика 3. Регулятор расхода 5
воздействует на регулирующий клапан 7, установленный на на-
гнетании насоса 1. Расход аммиака автоматически корректиру-
ется датчиком плотности 2.
Работа регулятора расхода 5 корректируется по давлению
на всасывании насоса 1 с целью поддержания необходимого
давления. Команды регулятора расхода 5 и датчика давления 9
могут быть автоматически отменены датчиком 8, поддержива-
ющим давление жидкого аммиака на 'нагнетании насоса. Такая
система регуляторов полностью исключает возможность паде-
ния ниже нормы давления жидкого аммиака па всасывании на-
соса 1 и повышения выше нормы давления жидкого аммиака
на нагнетании этого насоса.
Система регулирования промежуточной насосной станцией.
На рис. 4.16 приведена принципиальная схема автоматического
регулирования промежуточной насосной станции.
В отличие от головной насосной станции .основным регуля-
тором здесь является не регулятор расхода жидкого аммиака,
а регулятор давления 2 на всасывании насоса 1. Количество
жидкого аммиака не регулируется, а только измеряется с по-
мощью турбинного счетчика 7. При нормальном технологиче-
ском режиме регулятор давления 2 па всасывании насоса 1 воз-
действует на регулирующий клапан 5. Если давление жидкого
аммиака на нагнетании насоса начнет подниматься и выйдет за
пределы заданного значения, то регулятор 4 давления на на-
гнетании насоса через реле выбора сигнала 3 отключит сигнал
регулятора давления 2 и вернет давление жидкого аммиака на
нагнетании насоса к заданному значению.
Принципиальная схема автоматического регулирования по-
тока жидкого аммиака в конечном пункте его выдачи из маги-
стрального аммиакопровода представлена на рис. 4.17.
Заданное количество жидкого аммиака, выдаваемого из ма-
гистрального трубопровода в конечном пункте — в г. Одессе,
автоматически поддерживает в заданном диапазоне регулятор
расхода 1. Измеряемый расход автоматически корректируется
датчиком плотности 6. Регулятор давления 2, воздействуя на
регулирующий клапан 5, поддерживает заданное давление ам-
миака в трубопроводе и обеспечивает нормальную работу тур-
301
Рис. 4.18. Принципиальная
схема обвязки поста секцио-
нирования:
I — шаровой клапан; 2 — гид-
равлический поршневой при-
вод; 3 — ресивер для масла
и азота; 4 — электропиевма-
тический клапан; 5 — мано-
метр; 6 — баллон для азота
(Р=100-105 Па; V=40 л); 7 —
выпрямитель; 8 — аккумуля-
торная батарея; 9 — прссо-
стат.
бинного счетчика 7. В случае повышения давления аммиака в
трубопроводе в результате уменьшения отбора аммиака сраба-
тывает реле выбора сигнала 3 и включает регулятор давления4,
который, воздействуя на клапан 5, уменьшает поступление ам-
миака в пункт выдачи.
Отключение аммиакопровода при глубоком падении давле-
ния аммиака. Для предотвращения потерь больших количеств
жидкого аммиака из аммиакопровода в случае его разуплотне-
ния или разрыва на отдельных его участках по всей длине тру-
бопровода устанавливают запорные шаровые задвижки — посты
секционирования.
Расстояние между задвижками определяют в зависимости от
диаметра трубопровода, рельефа местности и наличия населен-
ных пунктов вблизи аммиакопровода.
Посты секционирования могут управляться непосредствен-
но по месту, где они устанавливаются, и дистанционно — из цен-
трального пункта управления аммиакопроводом с помощью
устройств телемеханики. Из ЦПУ пост секционирования может
быть закрыт оператором или автоматически по команде, полу-
ченной от управляющей электронной машины.
В том случае, когда произойдет аварийное разуплотнение
аммиакопровода или его разрыв с одновременным нарушением
коаксиального кабеля и закрыть посты секционирования из
ЦПУ будет невозможно, предусмотрена локальная система, ав-
томатически закрывающая эти посты при глубоком падении
давления аммиака в трубопроводе.
На рис. 4.18 приведена принципиальная схема обвязки поста
секционирования, обеспечивающая работу этой локальной си-
стемы.
У поста секционирования 1, 2, 3 устанавливается чувстви-
тельный датчик давления (пресостат) 9. Назначение пресоста-
та — контролировать глубокое падение давления жидкого амми-
302
ака в трубопроводе. При глубоком па де пип давления аммиака
в трубопроводе пресостат посылает сигнал элскгропневматиче-
скому клапану 4, который, срабатывая, подаю окапай азот в
соответствующий ресивер с маслом 3 и тем самым шкрывиег
шаровой клапан 1, отключая участок аммиакопровода, в кою
ром произошло разуплотнение пли разрыв. Дистанционное >н
равление постом секционирования производится из ЦПУ аммиа-
копровода с помощью телекоманды, управляющей электропнев
магическим клапаном 4. Питание квтушкп электромагнитного
клапана осуществляется от сети переменного тока через выпря-
митель 7 и резервируется аккумуляюрпой Гимаресй 8. На
рис. 4.18 показан также поршневой привод 2 поста секциониро-
вания, приводимый в действие энергией сжатого до 100-10 11а
в баллонах 6 азота.
Система связи по коаксиальному кабелю. Нормальная экс-
плуатация аммиакопровода возможп i лишь при н i iiihiih на
дежной и эффективной системы связи. Связь между цен траль-
ным пунктом управления с телемеханическими устройствами,
установленными на насосных станциях, у постов секционирова-
ния и устройств катодной защиты осуществляется с помощью
монокоаксиального кабеля, проложенного вдоль аммиакопрово-
да и его ответвлений.
Прием и передача сигналов от телемеханических устройств
в центральный пункт управления, а также посылка команд из
центрального пункта управления к насосным станциям и постам
секционирования на аммиакопроводе осуществляется но этому
кабелю.
По этому же кабелю осуществляется телефонная связь об-
служивающего персонала аммиакопровода между собой.
С целью повышения надежности работы каналов связи, исполь-
зуемых для передачи телесигналов и телекоманд, на концах ко-
аксиального кабеля и на концах ответвлений от коаксиального
кабеля предусматриваются устройства вывода для использова-
ния резервных каналов существующей общегосударственной си-
стемы связи в случае разрыва или повреждения коаксиального
кабеля на любом участке его длины. Коаксиальный кабель по-
мимо нужд технологической связи используется для организа-
ции 300 каналов общегосударственной телефонной связи. Это
позволяет повысить коэффициент полезного действия дорогосто-
ящего коаксиального кабеля.
Система радиосвязи. Голосовая технологическая телефон-
ная связь аммиакопровода дублируется и дополняется системой
радиосвязи.
Радиосвязь вдоль аммиакопровода осуществляется с по-
мощью стационарных радиосистем и индивидуальных перенос-
ных и передвижных автомобильных приемо-передающих радио-
станций. При использовании вертолетов для контроля за состо-
янием аммиакопровода, они могут быть оснащены приемо-пе-
редающими радиостанциями.
303
Центральный пункт управления аммиакопроводом. Управле-
ние аммиакопроводом длиной несколько тысяч километров,
имеющим сложную структуру связей производителей и потре-
бителей аммиака, осуществляется из единого центрального
пункта управления.
Центральный пункт управления аммиакопроводом оснаща-
ется двумя современными электронными машинами, при этом
одна ЭВМ находится в работе, другая —в «горячем» резерве
и автоматически включается в работу при выходе из строя ра-
ботающей ЭВМ.
Информация, поступающая в ЦПУ, воспроизводится на эк-
ранах цветных дисплеев и на печатающих устройствах. Кроме
того, на пульте предусматривается встроенная мнемосхема с
сигнализацией отклонений от нормальной работы по отдельным
участкам аммиакопровода и шесть регистрирующих приборов,
на которые может быть выведена регистрация в виде кривой
любого контролируемого и регулируемого параметра. Оператор
на ЦПУ осуществляет весь комплекс маневров по управлению
аммиакопроводом путем подачи дистанционных команд с по-
мощью диалоговой клавиатуры дисплея. Все команды, не охва-
ченные клавиатурой дисплея, передаются местному обслужива-
ющему персоналу с помощью телефонной и телетайпной связи.
Электронная вычислительная машина реализует индикацию
параметров; регистрацию параметров; контроль изменения со-
стояния оборудования; контроль порогов ограничений значений
параметров; расчет и печать периодических балансов матери-
альных расходов; обработку оповестительных сигналов; расчет
отклонения давления и расходов (обнаружение утечек); конт-
роль катодной защиты; диалог с процессором; аварийное пе-
реключение «рабочей» и «резервной» ЭВМ.
Автоматическая система обнаружения утечек аммиака. На
головных станциях в г. Тольятти и Горловке, насосных станци-
ях по всей длине аммиакопровода и конечной станции в г. Одес-
се установлены счетчики жидкого аммиака. Эти счетчики отли-
чаются большой точностью, воспроизводимостью показаний по
сравнению со всеми остальными известными видами расходо-
меров аммиака.
Значение мгновенных и интегральных расходов опрашива-
ются периодически ЭВМ. Значения показаний счетчиков срав-
ниваются на ЭВМ. Автоматически производится оценка соот-
ветствия значений расходов по участкам аммиакопровода, и в
случае их несоответствия ЭВМ световым и звуковым сигналом
предупреждает оператора о наличии возможной утечки аммиа-
ка из трубопровода.
Предусмотрена автоматическая остановка аммиакопровода—
остановка насосных станций и закрытие постов секционирования
по команде оператора или ЭВМ, если расхождение в показани-
ях расходов по участкам аммиакопровода достигает предельно
допустимой нормы.
304
Рис. 4.19. Принципиальная схема обнаружения аммиака в межтрубном пространстве на
речном переходе типа «труба в трубе»:
/ — азот в межтрубном пространстве; 2 — кожух; 3 — аммиакопровод; 4 — линия сброса
аммиака на факел; 5 — задвижка с электроприводом. 6 разрывная мембрана; 7 — ин-
дикатор аммиака; 8— прибор для передачи команды в ЦПУ; 9 — прибор для закрытия
задвижки с электроприводом.
В пусковой период, который характеризуется переходными
процессами за счет возникновения волны давления, перемеща-
ющейся вдоль аммиакопровода, значение расхождений расхо-
дов по участкам могут достигнуть значительных величин, что
может привести к ложному срабатыванию системы автоматики
и вызвать остановку аммиакопровода. Для исключения влияния
перемещающейся волны давления по длине аммиакопровода
установлены датчики давления, назначение которых следить за
перемещающейся волной давления и передавать данные об этом
давлении в центральный пункт управления.
ЭВМ на центральном пункте управления автоматически
корректирует показания счетчиков в зависимости от перемеще-
ния волны давления.
По своему значению система обнаружения утечки подразде-
ляется на три функциональные группы:
1. «Тревога». Состояние «тревоги» имеет место, когда систе-
ма обнаруживает небольшое заранее заданное отклонение мас-
сового баланса аммиака или падение его давления. ЭВМ, вклю-
чая сигнализацию в ЦПУ, обращает внимание оператора на
возникшую ситуацию. В этом случае оператор может принять
соответствующие меры, исходя из сложившейся обстановки. Он
может запросить у ЭВМ дополнительную информацию, которая
поможет ему лучше проанализировать сложившуюся ситуацию
и принять решение относительно необходимых мер по ликвида-
ции обнаруженной утечки.
2. «Отклонение от нормы». Такое положение возникает тог-
да, когда система обнаружит значительное наперед заданное
отклонение массового баланса или давления аммиака в аммиа-
копроводе.
В этом случае ЭВМ дает сигнал оператору и на экране дис-
плея воспроизводит перечень мер по восстановлению нормаль-
ного режима работы аммиакопровода. Проанализировав эти
20—831
305
данные, оператор может отдать с помощью клавиатуры дисплея
«приказ» системе выполнить необходимые меры. В том случае,
когда предпринятые оператором действия не дают положитель-
ных результатов и обстановка продолжает усугубляться, а опе-
ратор по каким-то причинам не может предпринять правильных
действий, система автоматически по заданной программе пере-
водит аммиакопровод в положение безопасности.
3. «Критическое положение». Критическое положение может
наступить в том случае, когда хотя бы один из постов секцио-
нирования закроется самопроизвольно без команды оператора.
В этом случае ЭВМ автоматически по заданной программе пе-
реводит аммиакопровод в положение безопасности.
Контроль разуплотнения аммиакопровода на переходах че-
рез реки и водоемы. На переходах типа «труба в трубе» (рис.
4.19) через большие реки и водоемы проводится анализ меж-
трубного пространства, заполненного азотом, на аммиак при
разрыве стенок аммиакопровода.
В случае разрыва аммиакопровода 3 давление в межтрубном
пространстве кожуха 2 повышается. При этом происходит раз-
рыв мембраны 6. Смесь аммиака и азота начинает выходить в
атмосферу по линии сброса 4 через открытую задвижку с элект-
роприводом 5.
Анализатор 8 определяет наличие аммиака и посылает об
этом сигнал в ЦПУ. Анализатор 9, обнаружив наличие аммиа-
ка, автоматически закрывает задвижку с электроприводом 5,
предотвращая тем самым выброс аммиака в атмосферу. Опера-
тор на ЦПУ принимает сам или с помощью ЭВМ меры по ло-
кализации поврежденного участка аммиакопровода.
Глава 5
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ
СОВРЕМЕННЫХ АГРЕГАТОВ
ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА
Безопасность и надежность
I
Крупнотоннажный агрегат производства аммиака являет-
ся энерго-технологическим комплексом, все оборудование кото-
рого находится в тесной взаимосвязи: выход из строя или изме-
нение режима работы одного из узлов приводит к нарушению
работы другого, а порой и остановке агрегата, что влечет за со-
бой значительные материальные издержки и резкое увеличение
себестоимости продукции. В этой связи вопросы безопасности и
306
надежности работы агрегата аммиака имеют особое значение
и привлекают к себе пристальное внимание специалистов.
Надежность и безопасность работы агрегатов аммиака, объ
единенных в одну технологическую цепочку, зависит от mhoihx
факторов, среди которых важнейшими являются высокое каче-
ство проектных решений, надежность оборудования, машин, ар-
матуры, контрольно-измерительных приборов, качество монта-
жа, квалификация обслуживающего персонала, соблюдение
эффективного графика профилактических ремонтов и т. п.
Определения понятия надежное!и, встречающиеся в литера-
туре, разнообразны, они делятся па количественные, сводящие
понятия надежности к одной или нескольким количественным
характеристикам, и качественные.
В узком смысле, под надежностью понимают способность
технических устройств безотказно работать, сохраняя эксплуа-
тационные свойства в заданных условиях в течение определен
ного отрезка времени. Безотказной исправной работой считает-
ся нормальное выполнение техническими устройствами всех сво-
их функций в пределах заданных допусков. Качественно можно
выделить следующие стороны надежности: безотказность, ре-
монтопригодность, долговечность.
Количественная оценка надежности проводится на основе
методов теории вероятности и математической статистики, и
все ее количественные характеристики имеют вероятностный
характер. Полностью оценить надежность какой-либо одной ко-
личественной характеристикой нельзя. Для этого требуется
большое число характеристик, в частности: вероятность отказа;
среднее время между отказами; вероятность восстановления;
интенсивность и частота отказов; среднее время восстановле-
ния.
Говоря о надежности, все больший интерес проявляют к во-
просу взаимодействия технических решений и человека, взаимо-
действия технических наук с наукой о человеке. Это естествен-
но, поскольку даже в полностью автоматизированных системах
человек, эксплуатируя их, остается важнейшим элементом на-
дежности. Таким образом, с ростом достижений науки и техни-
ки растет значение последствий качества выполнения людьми
своих обязанностей в заданный срок и с определенными напе-
ред заданными результатами.
Нарушение работоспособности объекта называется отказом.
Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления
предельного состояния при установленной системе техническо-
го обслуживания называется долговечностью [114]'.
С точки зрения надежности современный агрегат производ-
ства аммиака представляет собой восстанавливаемую систему,
состоящую из разнородного оборудования, связи которого меж-
ду собой определяют высокую сложность системы. Практиче-
ски установлено, что надежность такой системы (рис. 5.1) (из-
менение интенсивности отказов во времени) распадается на три
20*
307
Время
Рис. 5.1. График изменения интен-
сивиости отказов X во времени Тг
Гп — время приработки; Гс — время
стационарной работы; Тк — время
конца срока службы; tp — продол-
жительность работы агрегатов меж-
ду плановыми ремонтами; tB—про-
должительность плановых ремонтов*
периода; время приработки — Тп, время стационарной рабо-
ты— Тс и время конца срока службы — Тк. Период стационар-
ной работы характеризуется пилообразной линией, у которой
наклонные участки (tp) соответствуют продолжительности рабо-
ты агрегатов между плановыми ремонтами, изображенными го-
ризонтальными участками (4). Вертикальные отрезки показыва-
ют, что в результате восстановления (планового ремонта) ин-
тенсивность отказов снижается до какой-то минимальной нор-
мы [115—118].
Время приработки (Тп) связано с показателями надежности
и гарантийными обязательствами, время стационарной работы
(Тс) соответствует долговечности, продолжительность наклон-
ных участков (Тр) характеризуют безотказность, а горизонталь-
ных (£в) — ремонтопригодность системы.
Несмотря на наличие плановых ремонтов, практически не
существует таких агрегатов, которые бы не имели неплановых
остановок.
Рис. 5.2. График изменения интенсивности отказов К для работающей системы при вне-
плановых остановках:
Т т Т
7Р2' р3
— продолжительность
работы между внеплановыми ремонтами;
Рис. 5.3. Изменение вероятности безотказной работы Р и интенсивности отказов Z во
времени для различных законов распределения:
а — экспоненциальное распределение; б — нормальное распределение; в распределение
Войбулла.
время восстановления.
308
На рис. 5.2 рассмотрен более детально участок Тр — продол-
жительность работы между внеплановыми ремонтами. На этом
рисунке /в2—времена восстановления при внеплановых ос-
тановках, когда ликвидируются отдельные неполадки, при этом
общая характеристика безотказности почти не меняется.
В теории надежности время появления отказа рассматрива-
ют как случайную величину.
Статистическая оценка вероятности безотказной работы оп-
ределяется отношением количества исправных объектов Nu(ti),
работающих к моменту времени 1г, к общему числу объектов,
No-
(5.1)
где P(ti)—оценка вероятности безотказной работы; Nx(ti)—число неис-
правных объектов к моменту времени /<.
При анализе надежности системы, состоящей из последова-
тельно соединенных элементов, предполагая отказы элементов
независимыми, получают, что вероятность безотказной работы
системы равна произведению вероятностей безотказной работы
каждого самостоятельного элемента, т. е.
При параллельном соединении элементов (с резервированием)
и их равнонадежности вероятность безотказной работы системы
Р® = 1 -[1 -Pt (Of (5.2)
где Pi (I) —вероятность безотказной работы составных элементов.
На рис. 5.3 приведены примеры изменения вероятности без-
отказной работы и интенсивности отказов для различных зако-
нов распределения времени безотказной работы [119—121]:
а — экспоненциальное распределение; б — нормальное распреде-
ление; в — распределение Вейбулла.
Для обеспечения и поддержания надежности систем на тре-
буемом уровне необходимо соблюдение следующих условий:
1. Выбор наиболее простого конструктивного и схемного решения в каж-
дом конкретном случае.
2. Выбор наиболее надежных элементов.
3. Создание благоприятного режима работы элементов, правильный
подбор параметров.
4. Использование унифицированных узлов и элементов, выпускаемых
специализированными предприятиями.
5. Соблюдение норм технологического процесса, технический контроль и
общая культура производства при изготовлении устройства.
6. Разработка рациональных методов эксплуатации.
7. Тренировка элементов перед их использованием.
8. Резервирование.
Одна из основных причин появления отказов элементов об-
условлена их неоднородностью, разбросом значений качества
элементов. Один из путей повышения надежности при изготов-
ЗС9
Таблица 5.1. Причины внеплановых (аварийных) остановок
крупных агрегатов производства аммиака в первые 3 года
эксплуатации (%)
Причина Источник информации
J19, 20] 121] .122]
Ошибки проекта 10—15 10 10 15
Ошибки при строительстве и монтаже 14—16 20 16 14
Некачественное изготовле- ние оборудования 56—6] 40 61 56
Ошибки обслуживающего персонала 13—15 30 13 15
лении новых систем — мероприятия по улучшению однородно-
сти (а значит и надежности) выпускаемой продукции.
Все эти мероприятия можно свести к четырем группам: со-
вершенствование технологии производства; автоматизация про-
изводства; тренировка элементов и систем; статистическое регу-
лирование качества продукции. Все эти группы мероприятий
взаимно связаны между собой.
Надежная безаварийная работа современных крупных агре-
гатов зависит от многих факторов, среди которых важнейшими
являются: высокое качество проектной документации, оборудова-
ния, машин, арматуры, КИП, монтажа агрегата, квалификации
обслуживающего персонала, графика профилактических меро-
приятий и др.
В периодической литературе опубликовано большое количе-
ство фактических данных, характеризующих общие причины
остановок агрегатов [122—136]. Некоторые из этих данных при-
ведены в табл. 5.1.
Таблица 5.2. Продолжительность простоев агрегатов
производства аммиака
Продолжи- тельность простоя од- ного агрега- та, сутки/год Число агрегатов
1963—1967 гг. 1968—1971 гг. 1973—1976 гг. 1977—1978 гг.
10 1 0 3 .
20 1 1 3 2
30 3 4 И 4
40 3 1 12 2
50 3 2 3 —
60 4 0 6 1
70 1 0 2 —
80 1 0 5 1
90 1 1 3
100 — — 1 —
ПО — — 3 —
310
Б США в 1973 г. был проведен сбор информации и анализ
работы агрегатов производства аммиака, из которых восемь
имеют мощность по 540 т/сут, три — по 750 т/сут; 13 — по
900 т/сут и 3 — по 1360 т/сут [130]. В 1979 г. в печати появились
данные по надежности работы 57 агрегатов мощностью по
1000 т/сут за период с 1973 по 1975 г. [131] и по 30 агрегатам
мощностью 600—1500 т/сут за период 1977—1978 гг. [136].
В табл. 5.2 приведены данные, характеризующие продолжи-
тельность простоев агрегатов производства аммиака.
По мере накопления опыта эксплуатации подобных агрега-
тов, сокращается, как правило, продолжительность их простоя.
Причины простоев трех групп агрегатов производства ам-
миака и их продолжительность проанализированы в [130] и
[132]. Так, простои из-за выхода из строя (повреждения) основ-
ного оборудования составляют 30%.
Время планово-предупреднтельпого ремонта составляет 45%
(в 1971 г. планово-предупредительный ремонт составил 52%
всех простоев по сравнению с 32% в 1969 г.).
Средняя продолжительность непрерывной работы агрегата
в 1971 г. (анализ 27 аммиачных агрегатов) составил 179 сут
вместо 171 сут в 1969 г. Максимальная продолжительность не-
прерывной работы агрегата производства аммиака составляет
361 сут.
Анализ работы крупных агрегатов производства аммиака в
СССР за период с 1973 по 1977 г. показывает, что общая про-
должительность простоев в год с учетом времени планово-пред-
упредительных ремонтов составляет от 40 до 60 сут.
Однако в настоящее время недостаточно классификаций не-
исправностей, по которым произошел отказ основного оборудо-
вания. В табл. 5.3 представлены некоторые сведения о неисправ-
ностях основного оборудования, вызвавших простои агрегата
производства аммиака [133, 134]1.
Таблица 5.3. Неисправности основного оборудования агрегатов
производства аммиака
Оборудование Продолжительность простоя
сут/год % [133] % от общей про- должительности простоев [134]
Трубчатая печь 2,5 15 30
Шахтный реактор 2,0 12 25
Система очистки 2,5 15 14
Отделение синтеза аммиака 5,0 30 4
Основные компрессоры и 4,0 25 25
'турбины Прочие 0,5 3 2
Итого: 16,5 100 100
311
Таблица 5.4. Число остановок за год в среднем на один агрегат
Причина остановки Место установки агрегата
СССР За рубежом
Отказы основного оборудования 4,1 5,6
Отказы КИПиА 1,7 1,5
Отказы по электрочасти k 1,4 0,9
Плановые ремонты 1,0 0,6
Прочие причины 0,4 1,2
Итого: 8,6 9,8
Основные причины остановок агрегатов производства аммиа-
ка представлены в табл. 5.4.
Если проанализировать причины остановок агрегатов (табл.
5.4), оказывается, что для обеих групп агрегатов число остано-
вок по однотипным причинам статистически одинаково (с до-
стоверностью 0,95).
Однако количество остановок не полностью характеризует
надежность агрегатов. Для того чтобы получить достаточно яс-
ную картину, необходимо проанализировать время простоя по
каждой из причин. Результаты такого анализа приведены
в табл. 5.5.
Объяснением длительных простоев зарубежных агрегатов
может служить большая длительность времени от начала их
эксплуатации.
Табл. 5.6 характеризует отказы по основному оборудованию
по данным заводов США и Канады [131].
Из табл. 5.6 видно, что первое место по продолжительности
простоев агрегатов занимают оборудование первичного рифор-
минга— за счет пропусков в реакционных трубах, трубопрово-
дах и пигтейлях, а также компрессор синтез-газа.
Таблица 5.5. Среднее время простоя (в сутках)
одного агрегата за год
Причины простоя Место установки агрегата
СССР За рубежом
Отказы основного оборудования 3,7 14,2
Отказы КИПиА 1,2 1,1
Отказы по электрочасти 1,7 1,1
Плановые ремонты 24,8 29,1
Прочие причины 0,3 3,1
Итого: 31,7 48,6
ж
312
1 Таблица 5.6. Отказы оборудования 30 аммиачных агрегатов большой мощности, установленных в США и Канаде в разные периоды эксплуатации
1973—1974 гг 1078 1070 it
СЗ W К Л “ « м
Узел Классификация отказов о о к о ш
о О § ь о g® й
О Q О 15 о о ш о Ц 6
Я СО я ь я Я со Я Н С
Первичный ри- Пропуски труб 32 170,2 18 108,8
форминг Пропуски стояков (вертикаль 9 46,6 7 39,7
пых труб) Пропуски трубопроводов 8 57,2 3 13,0
Пропуски пнгтейлей 1 7,<> 1 11 ,7
Дымосос 10 2'1,6 9 27,7
Коллектор переноса 16 96,2 18 81,6
Змеевики секций конвекции 13 66,3 8 48,0
Разное 2 3,0 3 8,7
Итого: 91 476,1 67 342,2
Средняя продолжительность 8 5,5
Вторичный рифор- простая 1 агрегата за год, сут. Пропуски труб котлов утилиза- 11 58,4 10 102,1
минг и котлы-ути- торов
лизаторы Емкость вторичного рифор 7 164,5 2 22,8
минга
Пропуски системы труб и 2 6,8 1 1,5
фланцев Разное по котлам-утилизато- 2 5,1 2 16,2
рам
1 Итого: 22 234,8 15 142,5
Средняя продолжительность простоя 1 агрегата за год, 4 2,5
Очистка от СО2 сут |Теплообменпики 9 29,4 14 27,6
Емкости 0 0 3 18,0
.Система трубопроводов, вен- |ТИЛИ и т. д. Насосы и машины 8 10,8 11 31,8
j теплообменники 7 12,3 11 34,3
! система труб н фланцев И 18,3 2 2,0
[ остальное 4 15,1 0 0
Итого: Средняя продолжительность 47 93,1 1,5 48 126,4 2
Система синтеза и простоя агрегата за год, сут Теплообменники 22 66,1 15 54,9
холодильная си- Колонна 1 31,8 0 0
стема Система труб и фланцев 17 16,4 27 76,2
Итого: 40 114,3 42 131,1
313
Продолжение табл. 5.
Узел Классификация отказов 1973—1974 гг. 1975—1976 гг.
число отка- зов продолжи- тельность простоя, сут число отка- зов продолжи- тельность простоя, сут
Компрессоры Средняя продолжительность простоя агрегата за год, сут Компрессоры п турбины 2 2
природного газа 3 10,2 6 9,5
воздушный 26 136,1 18 56,6
синтез-газа 60 239,0 76 326,5
холодильника 17 64,8 10 28,8
Системы управления 13 18,7 26 29,9
Итого: Средняя продолжительность простоя агрегата за год, сут 119 468,8 8 136 451,3 7,5
Разное Вспомогательный котел 12 47,6 5 34,4
Моторы, компрессоры, насосы 8 18,8 7 13,3
Системы труб, вентилей и фланцев Внешний холодильник и раз- ные теплообменники 11 22,7 15 33,0
2 5,2 7 25,7
% Итого: Средняя Продолжительность простоя агрегата за год, сут 33 94,3 1,5 34 106,3 2,0
Всего: Средняя продолжительность простоя агрегата за год, сут 352 1481,3 25 342 1299,9 21,5
Так, за период с 1973 по 1976 г. наблюдался один случай
пропуска в системе первичного риформинга (средняя продол-
жительность простоя — 6 сут.). Только за период 1973—1974 гг.
32 раза обнаружены трещины в реакционных трубах, причем в
1975—1976 гг. число их уменьшилось до 18. Причиной увеличе-
ния надежности является замена реакционных труб на большин-
стве старых агрегатов.
Анализ причины остановок агрегатов за время 'длительной
эксплуатации показывает, что наибольшее число остановок при-
ходится на долю насосно-компрессорного оборудования и при-
водов. Так, например, в 25% случаев простои происходят из-за
отказов компрессоров синтез-газа, из-за этого агрегаты про-
изводства аммиака за период 1971—1972 гг. имели в среднем
одну остановку в 14 мес., за период 1973—1974 гг. одну оста-
новку в 12 мес. и одну за 9,5 мес. в 1975—1976 гг. В среднем,
время простоя агрегата при отказе компрессора синтез-газа со-
ставляет около четырех сут. Обеспечение надежности компрес-
314
сора синтез-газа является весьма серьезной проблемой, посколь-
ку две трети агрегатов имели за 1975—1976 гг. хотя бы одну
остановку по этой причине, а один из агрегатов за это время
останавливался 10 раз.
Для практической оценки надежности турбокомпрессорных
машин, работающих в современных агрегатах производства ам-
миака, можно пользоваться величиной средней наработки па
отказ турбокомпрессоров, которая для компрессоров природного
газа составляет 3,8—6,1 тыс. ч, для компрессоров воздуха 3,9—
6,2 тыс. ч, для компрессоров азотоводородной смеси 2,6—
4,9 тыс. ч, для аммиачных компрессоров 4,8—8,5 тыс. ч.
Компрессорные агрегаты имели несколько остановок из-за
разрушения роторов, повышенной вибрации. Наибольшее число
остановок компрессоров связано с ремонтом опорных и упор-
ных подшипников.
Довольно значительное число неполадок в работе компрсс
сорного оборудования приходится па маслосистсму, включаю-
щую много вспомогательных агрегатов, надежность которых
значительно отличается от надежности самих компрессоров.
Из-за отказов в работе маслосистем произошло 43,3% оста-
новок турбокомпрессорного оборудования.
Данные о работе маслонасосов системы смазки и уплотне-
ния приведены в табл. 5.7.
Из таблицы следует, что наработка па отказ для маслона-
сосов турбокомпрессоров, кроме компрессора синтез-газа, со-
ставляет 1980—1020 ч. Таким образом, на маслонасосах машин
природного газа, аммиака и воздуха следует ожидать восемь
отказов в год и, как следствие, восемь переключений с паропри-
Таблица 5.7.Данные о работе маслонасосов
Назначение Число внепла- новых остановок Пробег» ч Средн, нераб. н 1 отказ Простои, ч Среднее время про- стоя в ре- монте, ч
Насос смазочного масла 8 7956 1326 312 53
аммиачного компрессора Насос уплотнительного 7 7125 1187 360 60
масла аммиачного комп-
рессора Насос смазочного масла 8 8158 1019 600 75
компрессора природного газа Насос уплотнительного масла компрессора при- 9 87 68 509 55
родного газа Насос смазочного масла 4 7923 1980 192 48
компрессора синтез-газа Насос уплотнительного масла компрессора син- тез-газа 6 6082 1616 208 52
315
водных на электроприводные насосы. Для маслонасосов комп-
рессора синтез-газа наработка на отказ составляет 1600—
2000 ч. Средняя продолжительность ремонта всех маслонасосов
составляет около 60 ч. Следовательно, около 5% времени в
маслосистеме каждого турбокомпрессора работают электропри-
водные насосы. Суммарное время работы с использованием
электроприводных маслонасосов будет составлять около 12%
от времени работы. Отказ в энергоснабжении маслонасосов в
течение этого времени приведет к аварии одного из турбокомп-
рессоров, что определяет повышение требования к электроснаб-
жению этих насосов.
Для компрессоров, эксплуатируемых в США и Канаде, ти-
пичными причинами отказов являются вибрация турбины и, со-
ответственно, компрессоров, повреждения роторов и отдельных
деталей (втулок, уплотнений, фланцев), повреждение болтовых
соединений, пропуски, разрушение лопаток турбины, выход из
строя подшипниковых узлов, уплотнений и т. д.
Ощутимое число простоев агрегата связано с отказами тру-
бопроводов, фланцевых соединений и предохранительной арма-
туры. Наибольшее число отказов трубопроводов наблюдалось
в системе синтеза и холодильных установках, главным обра-
зом, из-за плохой притирки предохранительной арматуры, из-
за пропусков через сальники, прокладки и уплотнения различ-
ных типов, а также через фланцевые соединения как в системе
трубопроводов, так и на аппаратах. Имели место два случая
разрыва труб вследствие водородной коррозии из-за неправиль-
но выбранного материала. В других узлах агрегата так же на-
блюдались пропуски в клапанах, фланцах и невосстанавливае-
мые разрушения предохранительной арматуры.
В отдельную группу выделены пропуски узла очистки: отка-
зы трубопроводов и аппаратуры, которые возникали вследствие
коррозионно-эрозионных процессов, происходящих при абсорб-
ции СО2.
Наибольшее число отказов возникало в трубопроводах, рас-
положенных между абсорбером СО2 и подогревателем очищен-
ного газа и аппаратом конвертированного газа. Кроме того,
встречались случаи отказа на быстроохлаждаемых участках пе-
ред аппаратами очистки от СО2.
Четвертое — пятое места в ряду основных причин остановок
агрегата занимают отказы теплообменников. Больше всего от-
казов произошло на теплообменниках системы синтеза. Кроме
того, отмечены отказы теплообменников охлаждающей воды
компрессоров синтез-газа, циркуляционного газа и градирен.
Пропуски в трубах наблюдались чаще, чем в диафрагмах и уп-
лотнениях. Отмечен рост пропусков в коллекторах между ап-
паратами риформинга и конверсии П-ой ступени, которые со-
ставляют примерно одну треть в каждом из отчетных периодов.
Из-за пропусков или разрушений коллектора в 1971—1972 гг.
произошло пять остановок, в 1973—1974 гг. — 16, а в 1975—
316
1976 гг. число остановок из-за отказов коллектора достиг-
ло 18.
Характер дефектов, замеченных при внутреннем осмотре со-
судов, работающих в аммиачном производстве, показывает, что
их можно разбить на две группы, первая —это заводские де-
фекты, вторая — язвенная коррозия. Из 547 обследованных
аппаратов в производстве аммиака дефекты заводского изго-
товления зафиксированы у 21 аппарата, коррозия — у 28. Кор-
розия носит, как правило, местный характер и не распространя-
ется на всю стенку аппарата. Наибольшее число аппаратов с
язвенной коррозией приходится па отделение моноэтанолами-
новой очистки.
Согласно результатам технических освидетельствований бо-
лее чем за 20 лет ни один аппарат не разрушался из-за корро-
зии стенок корпуса.
У обследованных аппаратов утончений стенок в результате
коррозии не зафиксировано. Подавляющее большинство обсле-
дованных аппаратов после 20 и более лет работы находятся в
хорошем состоянии.
Анализ всех разрушений трубопроводов и аппаратуры на
отечественных агрегатах производства аммиака выяснил две
основные причины их разрушений: перегрев стенок под давле-
нием и коррозионно-эрозионный износ.
Из числа наиболее значительных аварий из-за перегрева
аппарата; находящегося под давлением, следует упомянуть:
разрыв корпуса котла-утилизатора при нарушении внутренней
изоляции; неоднократные разрывы труб котлов-утилизаторов
из-за нарушения циркуляции; разрыв трубопровода между ко-
лонной синтеза аммиака и огневым подогревателем в период
пуска агрегата; разрыв трубы пароперегревателя; разрыв эк-
ранных труб вспомогательного котла; разрывы реакционных
труб и труб коллектора печи риформинга. Используемые мате-
риалы обладают высокостабилыюй структурой и устойчивы к
перегревам.
При оценке надежности работы материалов аппаратов в аг-
регате мощностью 1360 т/сут. были собраны полные сведения о
конструкционных материалах, использованных для корпусов
аппаратов, а также данные по условиям их эксплуатации (тем-
пература, давление и состав технологической среды), преду-
смотренным проектом. При этом было установлено, что рабо-
чая температура аппаратов, изготовленных из углеродистых и
низколегированных марганцовистых сталей, не превышает
315 °C, молибденистых сталей — 430 °C, а хромомолибдени-
стых — 482 °C.
Как установлено многочисленными исследованиями, а так-
же многолетним опытом эксплуатации аппаратуры и трубопро-
водов, в различных теплоэнергетических установках, углероди-
стые и молибденистые стали при длительной эксплуатации
практически не меняют своей структуры и механических свойств
317
до 450 °C, а хромомолибденистые — до 500 °C. Поскольку гра-
ница структурной стабильности материалов всех рассматривае-
мых аппаратов существенно выше температуры их эксплуата-
ции, нет никаких оснований опасаться уменьшения их работо-
способности в ходе эксплуатации под действием нагрева.
Основное внимание при оценке устойчивости материалов кор-
пусов аппаратов в рабочих условиях было уделено возможным
вредным воздействиям технологических сред.
Все аппараты агрегатов синтеза аммиака по характеру воз-
действия на них активных сред можно разделить на несколько
групп.
Аппараты, материал которых при повышенных температурах
подвергается воздействию газовой смеси, содержащей водород
и оксид углерода.
Аппараты, работающие в контакте с газовой средой, содер-
жащей сернистые соединения.
Аппараты, корпуса которых контактируют с водой высоких
параметров, паром и паровым конденсатом при высоких давле-
ниях и температуре.
Аппараты, работающие под воздействием азота, водорода и
аммиака при высоких давлениях и повышенных температурах.
Аппаратуры, работающие под давлением в среде жидкого
аммиака при низких температурах:
Аппараты, работающие в контакте с жидкими средами.
В мировой практике опыт эксплуатации оборудования в во-
дородсодержащих средах в течение многих лет анализировал-
ся и обобщался в виде общеизвестных кривых Нельсона, кото-
рые устанавливают границы устойчивости к водородной корро-
зии сталей различных групп: углеродистых, молибденистых,
хромомолибденистых.
Проведенный тщательный анализ показал, что все материа-
лы рассматриваемых аппаратов устойчивы в рабочих условиях,,
предусмотренных проектом.
Содержание оксида углерода в области опасных температур
(150—250°С) невелико —от 3,7 до 10,6%, что обусловливает
незначительную скорость коррозии (менее 0,1 мм/год), компен-
сируемую прибавкой на коррозию.
Коррозия металлов в газовых серосодержащих средах носит
равномерный характер. Низколегированные конструкционные
стали подвергаются заметной коррозии при 400 °C при содер-
жании сернистых соединений более 0,01% (150 см3/№).
Корпуса ряда аппаратов, прошедших техническое освиде-
тельствование, работают в контакте с водой, паром, либо паро-
вым конденсатом при температуре до 314 °C и давлении до 130-
• 10Б Па. Корпуса этих аппаратов выполнены из низколегиро-
ванных марганцовистых либо хромоникельмолибденовых сталей.
Известно, что до 300—350 °C в воде устойчивы даже угле-
родистые стали, скорость коррозии их не превышает 0,1 мм/год.
318
Особое внимание уделяется оценке устойчивости материа-
лов в азотоводородаммиачных средах.
Азотоводородаммиачная смесь действует на металл комп-
лексно. Водород, обезуглероживая сталь, вызывает ее растрес-
кивание и охрупчивание. Атомный азот, образующийся при дис-
социации аммиака, проникает в металл, растворяется в твер-
дом растворе и выделяется в виде нитридов. Оба процесса мо-
гут приводить к охрупчиванию металла.
До 200 °C диссоциации аммиака при давлениях синтеза не
происходит, поэтому и процесс азотирования различных метал-
лов термодинамически невозможен. Следовательно, до 200 °C в
условиях синтеза аммиака устойчивы не только легированные,
но и углеродистые стали. Водород, содержание которого в газо-
вой смеси достигает 65% (Дн2=208-10б Па), до 200°С также
не оказывает заметного воздействия па все стали, включая и уг-
леродистые.
На основании этого все материалы корпусов колонн синтеза
и «холодных» теплообменников можно считать совершенно
устойчивыми в условиях эксплуатации. Корпуса «горячих» теп-
лообменников, изготовляются из стали типа 22ХЗН, и предна-
значаются для работы при температуре до 330 °C.
Отечественные и зарубежные исследования показали, что
азотирование среднелегированпых сталей типа 22ХЗН, 18ХЗМВ,
20Х2МА и Х5М в условиях синтеза аммиака начинается при
температурах выше 320 °C. При этом в интервале температур
.320—380 С происходит простое насыщение металла азотом с
•образованием твердого раствора внедрения без создания нитрид-
ного слоя на поверхности металла. Однако и такое простое на-
сыщение твердого раствора азотом может вызывать снижение
пластичности металла и, как следствие этого, охрупчивание,
поскольку азот меняет параметры решетки твердого раствора,
создавая напряженное состояние.
Оценка надежности материалов, а также многочисленные
исследования фактического состояния показали, что конструк-
ционные материалы при рабочих параметрах работы агрегата
.аммиака обладают полной стабильностью структуры и механи-
ческих свойств, а также устойчивостью к воздействию техноло-
гических сред.
Эксплуатация в течение длительного времени систем МЭА-
очистки, а также очистки раствором поташа конвертированного
газа показала, что, несмотря на правильный выбор материала
для аппаратов этих процессов, наблюдаются коррозионные по-
вреждения стенок. Например, скорость коррозии на образцах
из углеродистой стали после одного года испытаний их в кипя-
тильнике МЭА-раствора при 120 °C, составляет 0,02 мм/год, т. е.
сталь вполне устойчива, в то же время имеются случаи повреж-
дения этого оборудования. Следовательно, выход из строя ап-
паратов системы МЭА-очистки не обусловлен коррозионной
стойкостью материалов, т. е. коррозией как таковой, а зависит
319
Таблица 5.8. Характеристики некоторых теплообменных аппаратов, реакторов и емкостей,
подлежащих освидетельствованию в органах Госгортехнадзора.
№ п/п Наименование аппарата Условия эксплуатации Материал Скорость КОРРО- ЗИИ (мм/год)
среда давл. раб., -10s Па Темп, раб., °C
в/труб м/труб в/труб м/труб в/труб м/труб.
1 Котел-утилизатор 1-ой ст. вода пар конв. газ 105,5 32 ВХ. И ВЫХ. 314 1002—593 /„= 150 тип ст. 20 <0,1
2 Котел-у ти лиз атор П-ой ст. конв. газ питат. вода 31,6 105,5 593—371 /ст=385 314 тип ст. 12ХМ15ХМ не коррод.
3 Котел-утилизатор после 1-ой ст. кон- версии оксида угле- рода конв. газ питат. вода 30,8 107,2 430—332 314 тип 15ХМ не коррод.
4 Подогреватель газа перед метанатором конв. газ конв. газ 30,2 27,1 216—332; ^ст.расч = = 400 315—70; ^ст.расч = 300 тип ст. 15М. не коррод.
5 Кипятильник регене- ратора конв. газ р-р Карсол (без С02) пит. вода котлов 29,5 0,7 126,7 (вых). 178,9 (вх.) 118 тип бимет. угл. ст. Х18Н10Т не коррод.
6 Подогреватель воды после метанатора синтез- газ 26,4 110,8 вх. — 363,9; вых. —143,3; /ст =150 вх. —126; вых.— 314 вх. ст. 15М, вых. тип 16ГС не коррод.
7 Аммиачный холодиль- ник свежего и цирку- ляционного газа конв. газ NH3 жид. 33,3 1.7 вых. — 32,3; вых. — 3,9 —12 угл. ст. не коррод.
8 Подогреватель пита- тельной воды на вы- ходе газа из колон- ны синтеза синтез- газ пит. вода котлов 320 118 вх. — 328; вых. 166 вх. — 126; вых. — 314 на вх. (2*/4Сг- —1МО), вых. — угл., СТ. не коррод.
21—831
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Холодильник проду- вочного газа Аммиачный холо- дильник на танковом газе Реактор сероочистки Реактор вторичного риформинга Высокотем ператур- ный конвертор окси- да углерода Низкотемператур- ный конвертор окси- да углерода Метанатор Колонна синтеза ам- миака Абсорбер СО2 Паросборник прод. газ (инерт.Ч- H2+NH3) NH3 (танк, газ) природный газ, содер- жащий серу кои в. газ коив. газ коив. газ конв. газ конв. газ конв. газ + Карсол пар NH3 (жидк.) NH3 317 23,1- 42,2 32,3 31,3 31 26,7 330 28,4 105,5 0,014 (*расч “ = 8) 1,8 вх. —21,1; вых. — 23,3 вх. — 54; вых. — 3,9 399 205 540 днище 482 255 364 (455) корп. —141, дн. — 328 106 314 -32,8 -11 угл. ст. угл. ст. 15 М верхнее днище 15ХМ; осталь- ное— угл. ст. 15ХМ угл. ст. тип. 15М обечайка Ау-75 Тип 16ГС, на выходе газа (днище) тип 18ХЗМВ угл. ст. угл. ст. не коррод. не коррод. <0,1 (при со держании SC 80 мг/мэ) <0,1 не коррод. не коррод. не коррод. не коррод. <0,1 <0,1
•от коррозионно-эрозионного износа, перегревов, высоких ско-
ростей потока, остаточных напряжений в металле.
Как правило, повреждения металла проявляются в виде
.язв, которые носят обычно эрозионный характер и вызваны воз-
действием потоков. Так, язвы, появляющиеся в нижней части
абсорберов, возникают, как правило, вследствие прорыва газа
в зазоры между тарелками и корпусом при плохом их привари-
вании.
Подвергаются коррозионно-эрозионному разрушению напря-
женные участки труб аппаратов воздушного охлаждения. При-
чинами разрушений в этом случае являются высокие напряже-
ния в металле в результате вальцовки и оребрения, высокие
скорости потока, превышение проектной температуры раствора.
Однако перечисленные случаи являются исключениями при
-общей высокой наде ости материалов для сосудов и аппара-
тов.
В табл. 5.8 приведены значения скоростей коррозии для
различных аппаратов агрегата производства аммиака. Эти дан-
ные следует учитывать при эксплуатации агрегата.
Анализ надежности по результатам эксплуатации оборудо-
вания крупнотоннажных аммиачных производств, а также на-
сосно-компрессорного оборудования, оборудования трубчатой
«печи показывает, что фактическая наработка на отказ разно-
типного оборудования различна.
Для сосудов и аппаратов система технологического обслу-
живания может быть дифференцированной.
Специально для аммиачных производств впервые в практи-
ке Советского Союза на основании результатов анализа надеж-
.ности внедряется система технического обслуживания, при ко-
торой техническое освидетельствование сосудов должно прово-
диться в следующие сроки.
Инспектор по котлонадзору проводит:
не реже одного раза в восемь лет внутренний осмотр и гид-
равлическое испытание сосудов с некоррозионной рабочей сре-
дой или средой, при которой скорость коррозии металла не пре-
вышает 0,5 мм/год включительно;
при скорости коррозйи металла более 0,5 мм/год — не реже
•одного раза в четыре года — внутренний осмотр и не реже од-
ного раза в восемь лет — гидравлическое испытание с предва-
рительным внутренним осмотром.
Администрация предприятия проводит внутренний осмотр
регистрируемых и нерегистрируемых сосудов:
с некоррозионной средой или средой, при которой скорость
•коррозии менее 0,1 мм/год — один раз в восемь лет;
при скорости коррозии от 0,1 до 0,5 мм/год включительно —
не реже одного раза в .два года;
при скорости коррозии металла более 0,5 мм/год — не ре-
же одного раза в двенадцать месяцев.
3322
Таким образом, на примере относительно новых крупных,
агрегатов производства аммиака была впервые в Советском Со-
юзе разработана и внедряется система технического освиде-
тельствования с увеличенными в два раза относительно сущест-
вовавших сроками внутреннего осмотра аппаратов.
Строительные и монтажные
характеристики агрегата
Как показывает опыт сооружения установок по производ-
ству аммиака, строителям и монтажникам приходится сталки-
ваться с решением ряда задач, ранее нс встречавшихся в ходе
строительства объектов химической промышленности [137].
Одной из основных особенностей производства работ при
сооружении установки аммиака является почти полное отсут-
ствие совмещения строительных и монтажных работ. Все фун-
даменты машинного зала, цеха деминерализации воды, эстакад
и аппаратного двора сооружаются до начала монтажных работ
(за исключением нескольких фундаментов при монтаже тяже-
ловесного оборудования гусеничными кранами). Подземные-
коммуникации сетей водопровода и канализации на территории
практически отсутствуют.
Именно поэтому первостепенное значение при сооружении
установки по производству аммиака приобретает обеспечение-
своевременности строительных работ по сооружению фундамен-
тов и зданий.
Характер строительных работ имеет ряд особенностей, свя-
занных с компоновкой оборудования и конструктивным реше-
нием сооружаемых фундаментов:
большие объемы отдельных фундаментов, обусловленные-
большими сосредоточенными нагрузками на ограниченной тер-
ритории;
высокая точность, предъявляемая к размерам сооружаемых
фундаментов;
сложная конфигурация опалубки и арматуры (например,,
печи первичного риформинга);
повышенные требования к соблюдению размеров между ан-
керными колодцами в связи со сборкой металлоконструкций на:
болтах и т. д.
К началу производства монтажных работ необходимо вы-
полнить следующие строительные работы:
нулевой цикл, специальные площадки для укрупнителыюй
сборки и хранения оборудования, металлоконструкций и трубо-
проводов;
обратную засыпку с тщательным послойным трамбованием
грунта;
устройство дорог и площадок, засыпку землей всех траншей
и колодцев.
21* 323
Все площадки для складирования, укрупнительной сборки и
доизготовления предусматриваются с покрытием из щебня сло-
ем 300 мм с тщательной укаткой катками.
В процессе монтажа крупнотоннажных агрегатов должны
быть также решены вопросы, относящиеся к высшей категории
сложности:
монтажные работы по установке аппаратов массой до 450 т;
сварка и термообработка трубопроводов среднего и высоко-
го давлений с толщиной стенок до 70 мм;
монтаж печи первичного риформинга, требующий особо вы-
сокой точности;
сборка и сварка изотермического хранилища жидкого ам-
миака емкостью 20 000 м3.
Общая площадь застройки основных корпусов производства
аммиака сравнительно небольшая и составляет 27 тыс. м2. Про-
изводство характеризуется не только применением крупнотон-
нажного и тяжеловесного оборудования, но и высокой насы-
щенностью каждого блока оборудованием, трубопроводами и
металлоконструкциями. Так, печь риформинга, занимающая
площадь около 500 м2, имеет общую массу 1400 т (в том числе
600 т технологических металлоконструкций и 540 т змеевиков).
Общая масса оборудования и металлоконструкций этажерки
вторичного риформинга, расположенной на площади 250 м2, со-
ставляет (без массы трубопроводов) около 500 т (в том числе
205 т металлоконструкций и 300 т оборудования). Масса обо-
рудования, трубопроводов и металлоконструкций блока МЭА-
очистки, расположенного на площади 900 м2, составляет 2340 т
(в том числе 1800 т оборудования, 250 т трубопроводов и 290 т
металлоконструкций).
Большой объем работ приходится на долю главной эстака-
ды, связывающей технологическими трубопроводами основные
корпуса производства. Она представляет собой двухпролетное
(по ширине) трехъярусное сооружение. На верхнем ярусе рас-
положены аппараты воздушного охлаждения отделений МЭА-
очистки, конверсии и компрессии, а также деаэраторы, на двух
нижних ярусах размещены трубопроводы. Под эстакадой на
нулевой отметке устанавливают насосы конверсии, МЭА-очист-
ки, а также питательные насосы котлов-утилизаторов. Общая
масса холодильников и конденсаторов, расположенных на верх-
нем ярусе, составляет 810, трубопроводов — около 800, метал-
локонструкций— 2270 т. Суммарная масса оборудования тру-
бопроводов и металлоконструкций эстакады равна почти
4000 т при площади застройки 2250 м2.
Монтаж крупнотоннажных аммиачных установок является
сложной в техническом отношении задачей, успешное выполне-
ние которой зависит от прогрессивности принятых технических
решений, тщательной организации площадки, монтажных и сва-
рочных работ. Организация работ на площадке определяется
324
технологией монтажа основных крупнотоннажных тяжеловес-
ных аппаратов [138—140]1.
Характеристики наиболее сложного оборудования крупно-
тоннажной технологической линии приведены ниже:
Высота, мм Диаметр, мм Масса, т
Подогреватель природного газа . — — 40,1
Аппарат сероочистки 16700 8200 97,8
Трубчатая печь .... — — 1400
Конверторы метана . . 17410 4270 118,3
оксида углерода 1-й ступени . . 24570 2800 205,6
П-ой ступени . . 2,1700 3800 173,1
Абсорбер . 35735 4200 320
Метан атор .... . . 10780 3800 57,41
Колонны конденсационная . . 19730 2000 269
синтеза аммиака . . 32000 2400 483,9
Выносной теплообменник . . 17820 1600 203,5
Испаритель жидкого аммиака . . . 12150 2200 68,65
Регенератор . . 37720 4200 161
Паросборник . 24600 2100 164
Пусковой подогреватель синтез-газа . (длина) . . 24400 3542 44,5
Установка по производству аммиака является одной из са-
мых насыщенных тяжеловесным оборудованием в химической
промышленности. Средний вес 336 единиц тяжеловесного обо-
рудования установки составляет около 35 т. Число аппаратов,
вес которых превышает 100 т, составляет более 20 единиц.
Существует несколько методов монтажа аппаратуры колон-
ного типа массой 200—450 т в зависимости от грузоподъемных
средств, которыми располагают монтажные организации (уста-
новка с помощью портального подъемника, монтаж колонн мач-
той или гидроподъемником).
Абсорберы и регенераторы на монтажную площадку достав-
ляют отдельными укрупненными балками, что определяется
методом транспортирования. Наиболее эффективные методы
установки аппаратов в проектное положение — с помощью гид-
роподъемника, одной мачтой (методом одновременного подъе-
ма двух аппаратов), специальными грузоподъемными приспо-
соблениями типа деррик-кранов (методом скольжения без от-
рыва низа аппарата от земли); двумя гусеничными кранами с
применением опорной стойки и опорно-поворотного шарнира
[141].
Независимо от метода монтажа установку лестниц и площа-
док выполняют во всех случаях до подъема аппаратов. Изоли-
ровочные работы также производят до подъема аппаратов, так
как выполнение этих работ на высоте требует почти вдвое боль-
ших трудовых затрат и связано с устройством специальных под-
мостков и подачей материалов на большую высоту [141].
325
Одним из наиболее трудоемких и продолжительных по вре-
мени сооружения объектов (до 9 мес.) является печь первич-
ного риформинга.
Конструктивно и технологически печь первичного риформин-
га разделена на радиантную часть и конвекционную. Ниже при-
ведена масса отдельных элементов трубчатой печи:
Масса, т
Подогреватель парогазовой смеси.................27,0
Подогреватель паровоздушной смеси . . . . 16,7
Пароперегреватель П-ой ступени..................84,0
Пароперегреватель I-oft ступени...................106,0
Подогреватель питательной воды и топлива . . 154,0
Змеевики радиантной части:
стояки.........................................139,2
радиационные трубы............................ 208,8
Металлоконструкции конвекционной части . . . 404,4
Металлоконструкции радиантной части .... 208,8
Практически все операции по монтажу металлоконструкций
и змеевиков печи требуют высокой точности исполнения [142]»
Так, допускается отклонение размера стены по длине не более
10 мм, по высоте — не более 20 мм. Зазор между опорными реб-
рами змеевиков и стенками печи составляет не более 5—10 мм
на сторону. Отступление от указанных размеров может приве-
сти к перекосу и заклиниванию монтирующих блоков змеевиков.
Отклонение оси выходного коллектора от оси конвертора
метана допускается не более 3 мм, отклонение опорных (анкер-
ных) плит по высоте — не более 3 мм, отклонение каждой пли-
ты от горизонтальности не более 0,5 мм на 1 м. При этом чрез-
вычайно важными являются порядок сборки печи, условия ре-
гулировки положения панелей, требования к горизонтальности
выходного коллектора, панелей пола и опорных плит, верти-
кальности пазов для опорных ребер змеевиков и т. д.
В отделении компрессии необходимо смонтировать 36 еди-
ниц оборудования общей массой 1200 т. Компрессоры размеще-
ны в отдельном здании, оснащенном электромостовым краном
грузоподъемностью 30 т.
Большие числа оборотов турбокомпрессоров, их динамиче-
ские характеристики требуют высокой точности монтажных ра-
бот, что, в свою очередь, предъявляет особые требования к ка-
честву и точности возведения фундаментов.
Особо ответственным и трудоемким является монтаж комп-
рессора азотоводородной смеси.
Компрессор — трехцилиндровый, пятиступенчатый, горизон-
тальный с приводом от паровой турбины и автономной масло-
системой. Компрессор поставляют в следующем объеме: ци-
линдр низкого давления, цилиндры среднего и высокого давле-
ния на общей раме, турбина, вспомогательное оборудование.
Монтаж начинают с установки и выверки на фундаменте опор-
ных рам, после чего на рамах закрепляют цилиндры.
326
До монтажа турбины проводят ее ревизию: открывают ци-
линдр, осматривают и проверяют зазоры в проточной части.
При ревизии также разбирают и промывают автомат безопас-
ности.
Соосность роторов компрессора и турбины проверяют путем
центровки их по полумуфтам, после чего затягивают фунда-
ментные болты турбины и заливают рамы цилиндров компрессо-
ра и турбины бетонной смесью.
Перед заливкой масла в маслосистему проводят ее предва-
рительную очистку. Прокачку маслосистемы ведут круглосу-
точно в течение длительного периода с неоднократной заменой
масла и очисткой фильтров и сеток в маслобаке и маслопро-
водов.
Наиболее трудоемкой и продолжительной работой при мон-
таже крупнотоннажных аммиачных линий является монтаж
изотермического резервуара: при нормальной продолжительно-
сти механомонтажных работ по агрегату — 24 мес. монтаж ре-
зервуара составляет 15 мес.
В комплекс работ по монтажу трубопроводов аммиачной
установки входят следующие работы:
газовая сварка труб малого диаметра из углеродистых ста-
лей, работающих при низких давлениях;
ручная дуговая сварка трубопроводов из углеродистых ста-
лей, работающих при низких давлениях;
аргоно-дуговая и комбинированная сварка труб, работаю-
щих при высоких давлениях, и труб из аустенитных сталей;
газовая, плазменная и механическая резка труб;
нагрев труб газовыми горелками, индукционными нагрева-
телями и гибкими пальцевыми нагревателями (предваритель-
ный и сопутствующий подогрев);
термообработка сварных стыков гибкими пальцевыми нагре-
вателями или газовыми горелками (трубопроводы малого диа-
метра);
просвечивание стыков гамма-лучами (контроль качества
сварных швов на трубопроводах с толщинами стенок до 15 мм);
’• ультразвуковая дефектоскопия (контроль качества сварных
швов на трубопроводах с толщинами стенок свыше 15 мм);
цветная дефектоскопия (выявление наружных дефектов при
визуальном контроле сварных швов трубопроводов);
магнитная дефектоскопия (выявление дефектов при визуаль-
ном контроле швов трубопроводов малых диаметров);
механические испытания сварных образцов, металлографиче-
ские исследования, определение склонности металла к межкри-
сталлитной коррозии;
замер твердости сварных соединений трубопроводов после
сварки и термообработки;
вспомогательные работы, связанные с подготовкой стыков к
сварке и термообработке, установкой и съемом контрольной
-аппаратуры, устранением дефектов и т. д.
327
Особую сложность для ведения работ по сварке, отжигу и
контролю стыков трубопроводов представляет обилие марок
сталей трубопроводов (более 70 марок и композиций марок
сталей) и марок сварочных материалов (около 50 марок элект-
родов и 40 марок сварочной проволоки).
Всего при монтаже трубопроводов установки необходимо
сварить более 37 тыс. стыков. Контроль сварных соединений —
один из сложных, ответственных и трудоемких видов работ при
монтаже аммиачной установки. Достаточно сказать, что различ-
ными методами неразрушающего контроля необходимо про-
контролировать около 34 тыс. сварных стыков [143].
Ниже приведена примерная сводная ведомость объемов ра-
бот по строительству и монтажу аммиачного агрегата:
Виды работы
Земляные работы: выемка и настилка грунта
Устройство монолитных железобетонных кон-
струкций ...................................
Устройство монолитных бетонных конструкций
Монтаж сборных конструкций
железобетонных ..........................
стальных ................................
Объем механо-монтажных работ................
Монтаж КИПиА................................
Изоляционные работы ........................
Футеровочные работы.........................
Электромонтажные работы.....................
ОГъ'-м работы
220 тыс. м3
8,13 тыс. м3
3,6 тыс. м3 ,
4,26 тыс. м3
3,8 тыс. т
8,3 млн. руб.
1,0 млн. руб.
1,2 млн. руб.
0,50 млн. руб.
0,35 млн. руб.
Основные этапы пуско-наладочных работ
Организация строительства должна проводиться в строгой
последовательности с четко определенными этапами работы.
1 этап. Окончание всех монтажных работ и проведение пус-
ко-наладочных работ на следующих установках:
предочистки и химводоочистки;
пусковом паровом котле с деаэратором и системах пара 40-
• 105Па; 7,0-105 Па и 3,5-105 Па;
воздушном компрессоре и компрессоре воздуха для КИП;
завершение монтажа на электроподстанциях, в ЦПУ и на-
ладки системы электроснабжения и КИП по I этапу.
Параллельно I этапу необходимо в основном закончить мон-
таж и гидроиспытание трубопроводов II этапа.
II этап. Окончание монтажа установок сероочистки, парово-
го риформинга, продувка трубопроводов и аппаратов от воз-
душного компрессора, химическая промывка парового и водяно-
го тракта высокого давления. Загрузка катализаторов (серо-
очистки, первичного и вторичного риформингов, конверсии ок-
сида углерода I и II ступеней).
После загрузки катализаторов проводят испытание на плот-
ность системы и обкатку питательных насосов, дымососов и
компрессора природного газа. Этим заканчивается подготовка
328
।
II этапа к проведению пуско-наладочных работ: на этом этапе
пуско-наладочных работ осуществляется сушка футеровки вспо-
могательного котла и риформинга.
Затем проводят операции по разогреву и восстановлению ка-
тализаторов, их обессериванию, тепловой регулировке опор и
подвесок и осуществляют пуск системы производства синтез-га-
за со сбросом его на свечу после конверсии СО I-ой ступени.
К этому времени должны быть закопчены в основном монтаж и
гидроиспытание трубопровода III этапа.
III этап. Окончание монтажа очистки газа от углекислого
газа с системой насосов и установки метанирования с продув-
кой, промывкой, загрузкой катализатора и химикатов и пневмо-
испытаниями. На этом этапе осуществляются пуско-наладочные
работы и подключение к системе низкотемпературной конверсии
оксида углерода, очистки газа от СО2, метанирования. Подго-
товленная к сжатию и синтезу аммиака азотоводородная смесь
сбрасывается в атмосферу после установки метанирования.
В этот период заканчивается монтаж и испытания компрессора
синтез-газа, системы синтеза аммиака и аммиачно-холодильной
установки, загрузка катализатора в колонну синтеза.
IV этап. Окончание монтажных работ по синтезу аммиака и
аммиачно-холодильной установке (вспомогательные трубопро-
воды, изоляционные работы).
В этот период осуществляют пуск и наладку компрессора
синтез-газа, разогрев и восстановление катализатора колонны
синтеза аммиака, пуск и наладку аммиачно холодильной уста-
новки и вывод агрегата на режим с получением продукционно-
го аммиака.
Подготовка к производству пуско-наладочных работ и про-
ведение этих работ на аммиачных установках самым тесным
образом связаны со сроками и последовательностью монтажа
отдельных блоков и систем установки. Задержка той или иной
операции при проведении пуско-наладочных работ влечет за со-
бой, как правило, задержку целого ряда других работ.
Как показывает опыт сооружения установок, первостепенное
внимание при подготовке и проведении пуско-наладочных работ
должно быть уделено таким операциям, как продувка трубо-
проводов и аппаратов, испытания систем на прочность и плот-
ность, загрузка катализатора, химическая промывка систем па-
рообразования и очистки газа от С02, химическая и циркуля-
ционная промывка маслосистем паровой турбины и турбокомп-
рессоров.
В связи с высокими требованиями к чистоте внутренней по-
верхности трубопроводов продувку их производят до удаления
мельчайших частиц грязи. Контроль наличия этих частиц в воз-
духе, выдуваемом из трубы, осуществляют при помощи медных
пластинок—продувку ведут до полного исчезновения следов
загрязнений на пластинке.
329
99 99 S9
woynd Х1чнжпшном-оняиашпос1шэ эпиаьнояо
Время (сутки)
Одним из главных условий выполнения работ ио продувке
•трубопроводов в установленный срок является своевременный
пуск компрессора воздуха, имеющего большую подачу, н дав
ление нагнетания, достаточное для производства работ по про
.дувке.
Для обеспечения пуска компрессоров воздуха следует в пер-
вую очередь монтировать отделения подготовки питательной во-
ды, водооборотный цикл со всеми коммуникациями, пусковую
котельную, системы пара 40, 35 и 7- 10г' Па и систему конден-
сата, необходимые для получения пара на обкатку турбин и за-
пуск компрессора.
Опережающий монтаж компрессора воздуха, таким обра-
зом, требует первоочередного сооружения целого ряда блоков
и систем установки.
График пуска агрегата. Примерный график пуско наладоч-
ных работ по агрегату производства аммиака приведен на
рис. 5.4.
Рис. 5.4. График пуско-наладочных работ по агрегату производства аммиака мощно-
стью 1360 т/сут:
1 — прием воды и промывка установки деминерализованной воды; 2 — промывка системы
катионитовых, анионитовых и смешанных фильтров; обкатка иасосов подачи воды; 3 —
обкатка мешалок и иасосов для приготовления химикатов; 4 — испытание тарелок реге-
нератора и абсорбера; 5 — загрузка фильтров насадками (смола); 6 — подача и приго-
товление химикатов; 7 — подготовка и пуск водооборотного цикла; 8 — регенерация смол;
9 — иаладка режима работы установки деминерализованной воды; 10 — промывка деаэра-
тора деминерализованной водой, //-—обкатка питательного насоса и промывка трактов
.до котла пусковой котельной; /2 — щелочение пускового котла, 13— пуск деаэратора и
пускового котла; 14 — испытание и настройка предохранительных клапанов; 15 — про-
мывка трубопроводов и аппаратов МЭА-очистки водой; 16 — опрессовка системы МЭА
на плотность; 17 — химическая промывка системы МЭА; 18 — продувка коллектора пара;
19 — подготовка системы и обкатка насоса смазочного масла; 20 — обкатка маслонасоса
компрессора природного газа; 21 — испытание иа плотность вакуумной вытяжки ком-
прессора воздуха; 22 — обкатка приводов конденсационных насосов; 23 — промывка тру-
бопроводов конденсата и обкатка иасосов вакуумной вытяжки; 24 — опробование ваку-
умной вытяжки компрессора воздуха; 25 — обкатка турбины компрессора воздуха; 26 —
обкатка и ревизия подшипников; 27 — продувка воздухом сероочистки первичного и вто-
ричного риформингов; 28 — загрузка катализатора в аппараты сероочистки; 29 — опрес-
совка иа плотность системы сероочистки; 30—загрузка катализаторов в трубы первич-
ного риформинга и шахтный реактор; 31 — загрузка катализаторов в конверторы СО;
32— продувка конверторов СО и трактов конвертированною газа до абсорбера; 33 — про-
дувка-трактов конвертированного газа, 34 — продувка подогревателя природного газа и
межступенчатого сборника компрессора природного газа; 35 — продувка линий природного
таза; 36 — продувка аппаратов и линий очищенного газа от абсорберов до компрессора
синтез-газа; 37 — продувка контуров АХУ; 38, 39 — продувка трактов жидкого и газооб-
разного аммиака и линий азота для разогрева конвертора СО II-й ступени; 40— обкатка
турбин компрессоров воздуха и азота; 41 — обкатка дымососов; 42—подготовка масло-
систем и систем конденсации насосов питательной воды к работе; 43 — сушка футеровки
вспомогательного котла и трубчатой печи; 44 — прием азота и приготовление раствора
МЭА; 45 — загрузка катализатора в метанатор; 46 — опрессовка системы метанатор
МЭА* на плотность по газу; 47 — заполнение системы раствором МЭА; 48 —• иаладка цир-
куляции раствора МЭА; 49—пуск вспомогательного котла; 50 — продувка коллектора
пара высокого давления; 51 — испытание и настройка предохранительных клапанов и
дроссельного узла; 52 — включение в работу компрессора воздуха и продувка компрес-
сора синтез-газа; 53 —разогрев печи воздухом и паром; 54 — подготовка системы конден-
сации пара компрессора природного газа-, 55 — подготовка маслосистемы уплотнения и
смазочного масла компрессора природного газа; 56— обкатка компрессора природного
газа; 57— опрессовка межступенчатых коммуникаций компрессора природного газа; 58
обкатка компрессора природного газа на рабочей среде; 59— разогрев катализатора се-
роочистки; 60 — подача природного газа и воздуха в печь; 61 — обессеривание катализа-
тора высокотемпературной конверсии оксида углерода; 62 — прием конвертированного
газа иа очистку МЭА; 63 — разогрев метаиатора; 64 — пуск низкотемпературного конвер-
тора СО; 65 — чистка сепараторов и установка сепарирующих элементов; 66 опрессовка
межступенчатой обвязки компрессора синтез-газа; 67 — обкатка, ревизия подшипников и
уплотнений компрессора синтез-газа; 68— загрузка катализатора в колонну синтеза; 69 —
опрессовка на плотность агрегата синтеза аммиака; 70 — пуск метаиатора; 71 прием
синтез-газа, пуск циркуляционного компрессора синтез-газа; 72 — разогрев и восстановле-
ние катализатора колонны синтеза; иаладка АХУ.
331
Аварийные остановки агрегата
Аварийные остановки агрегата могут возникнуть в любое
время из-за нарушения технологического режима, при выклю-
чении электроэнергии, при прекращении подачи природного' га-
за, охлаждающей воды, воздуха для КИП и др.
При возникновении аварийной ситуации следует:
принять меры по устранению причин, способствующих воз-
никновению аварийных ситуаций, ликвидировать опасность для
обслуживающего персонала;
обеспечить безопасное состояние оборудования, трубопрово-
дов и КИП;
создать условия для быстрейшего пуска агрегата и восста-
новления нормальной работы.
Аварийные ситуации в агрегате приводят к автоматическо-
му срабатыванию блокировок и остановке агрегата. При сра-
батывании блокировок агрегат переводится в безопасное поло-
жение автоматически. Однако при некоторых аварийных ситу-
ациях необходима остановка агрегата с помощью обслуживаю-
щего персонала. Предусмотрены три группы блокировок: В, А
и АА.
Блокировка группы В — срабатывает при:
снижении расхода воздуха в конвертор метана П-ой ступе-
ни и повышении температуры над катализатором в конверторе;
нажатии соответствующей кнопки на пульте ЦПУ.
При этом автоматически:
закрываются клапан и электрозадвижка на трубопроводе
подачи воздуха в конвертор метана П-ой ступени;
открывается клапан на трубопроводе подачи защитного па-
ра в змеевик воздуха трубчатой печи;
открывается клапан на трубопроводе сброса воздуха в атмо-
сферу после компрессора;
останавливается компрессор синтез-газа.
Блокировка группы А — срабатывает при:
снижении расхода газовой смеси в трубчатой печи и повы-
шении температуры конвертированного газа перед конвертором
метана П-ой ступени;
снижении расхода пара в первичном риформинге;
снижении давления топливного газа на горелки трубчатой
печи;
остановке одного дымососа;
нажатии соответствующей кнопки на пульте ЦПУ.
При этом регулирующие клапаны и отсекатели занимают
следующее положение:
закрывается клапан на подаче топливного газа к горелкам
подогревателя сероочистки и клапан на подаче отпарного газа
в этот подогреватель;
закрывается клапан на подаче топливного газа к горелкам
трубчатой печи;
332
закрываются клапан и электрозадвижка на подаче газовойЬ
смеси в трубчатую печь;
останавливается компрессор природного газа;
закрывается шибер на остановленном дымососе.
Кроме того, блокировка группы А вызывает срабатывание
блокировок группы В, как описано выше.
Блокировка группы А останавливает все производство, кро-
ме компрессора воздуха.
Блокировка группы АА — срабатывает при:
снижении уровня в паросборнике;
остановке двух дымососов и нажатии соответствующей
кнопки на пульте ЦПУ.
В результате закрывается клапан на подаче топливного га-
за к горелкам вспомогательной печи, останавливается компрес-
сор воздуха, открываются шиберы но остановке двух дымосо-
сов и срабатывают блокировки групп А и В, т. е. останавлива-
ется все производство.
В табл. 5.9 приведены аварийные ситуации, возникающие
при нарушении технологического режима при эксплуатации аг-
регата производства аммиака, и меры по их устранению.
2. Отключение электроэнергии. При исчезновении питания
от одного источника электроэнергии осуществляется автомати-
ческое включение второго источника через секционные выклю-
чатели систем шин напряженном 6 и 0,38 кВ. Вследствие от-
ключения питания отпадают магнитные контакторы электро-
двигателей напряжением 0,38 кВ, которые затем автоматически
включаются по схеме «самозапуск» для всех особо ответствен-
ных машин.
При исчезновении питания от обоих основных источников-
электроэнергии используют третий независимый источник пи-
тания, который автоматически восстанавливает работу неболь-
шой группы потребителей, необходимых для безаварийной оста-
новки производства. Такими потребителями являются электро-
двигатели маслонасосов компрессоров природного газа, возду-
ха, азотоводородной смеси, питательного насоса системы паро-
образования, дымососов, насоса обессоленной воды в установке
водоподготовки и насоса свежей охлаждающей воды.
Благодаря этому производство аммиака можно остановить
безаварийно. Вспомогательный котел в этом случае остается в
работе, поскольку снабжение его топливом и водой не прекра-
щается.
Подача пара в реакционные трубы печи во избежание са-
жеобразования не прекращается до полного удаления природ-
ного газа из труб.
Отключение электроэнергии может быть кратковременным
(в течение нескольких минут) и длительным. При кратковре-
менном отключении электроэнергии снижают нагрузку на аг-
регат до минимально возможного уровня (около 70% от номи-
нальной).
333?
Таблица 5.9. Аварийные ситуации, могущие возникнуть
:® процессе эксплуатации, и меры по их устранению
Аварийные условия Причина Действия по их устранению
Сероочистка, конверсия метана и оксида углерода
1. Появление пропуска
газа в реакционной тру-
бе (пламя и местный .пе-
регрев в месте пропус-
ка)
2. Резкое понижение
-уровня в рубашках кон-
вертора метана и кот-
лов-утилизаторов при
полностью открытых
регуляторах на линии
парового конденсата,
рост содержания метана
в газе после конвертора
метана П-ой ступени
3. Резкое снижение тем-
пературы газа после
котлов-утилизаторов,
срабатывание предохра-
нительных клапанов на
жотл ах-у ти лиз атор ах
Разрушение трубы
Остановить производст-
во, заглушить или за-
менить трубу
Нарушение плотности
футеровки в коллекторе
парогазовой смеси, в
конверторе метана, в
котлах-утилизаторах,
интенсивное парообра-
зование, байпасирование
газа мимо катализатора
Повреждение трубчатки
котла, попадание паро-
водяной 'эмульсии в ли-
нию газа
Увеличить подачу воды.
Если уровень продолжа-
ет падать, произвести
полную остановку про-
изводства
Произвести полную ос-
тановку производства
1. Резкое повышение
.давления углекислого
газа, выходящего из ре-
генератора, и содержа-
ния в нем горючих при-
месей
Очистка газа от СО2
Прорыв газа из абсорбе-
ра при падении уровня
в нем и выходе из строя
отсекателя
Восстановить уровень в
абсорбере
Прорыв конвертирован-
ной парогазовой смеси
из кипятильника в слу-
чае разрыва теплообмен-
ной трубки
Проверить работу газо-
вых кипятильников
Закрытие регулятора на
сбросе СО2 в атмосферу
или двух задвижек на
линиях СО2 сети завода
В случае разрыва теп-
лообменной трубки в ки-
пятильниках к регенера-
тору отключить повреж-
денный кипятильник по
газу и ликвидировать
аварию при ближайшей
остановке
Дистанционно открыть
сброс СО2 в выхлопную
трубу
Выявить причину аварии
и ликвидировать ее
334
Продолжение табл 69
Аварийные условия Причина ДсЙпнни ио их устранению
Метанирование
1. Резкое повышение температуры в зоне ка- тализатора выше 420 °C 2. Резкое нарушение ре- жима работы метанато- ра по содержанию СО и СО2 в газе на выхо- де из агрегата метани- рования Нарушение процесса конверсии оксида угле- рода (повышение содер- жания в газе СО после конверсии). Нарушение режима очистки газа от СО2 (по- вышение содержания в газе СО2 после очистки) Отравление катализатора Автоматический сброс газа перед метанатором (автоматическое закры- тие электрозадвижки и заслонки перед метана- тором и выброс газа на факел через регулятор). Одновременно компрес- сор азотоводородной смеси автоматически отключается. Наладить режим работы конверсии СО или очистки газа от СО2. После сброса давления до 0,29 МПа подать чис- тый азот (99,97%) в метанатор; выводить газ через свечу перед мета- натором. После снижения темпе- ратуры катализатора до' нормы (300 °C) продув- ку азотом .прекратить Когда содержание СО и СО2 придет в норму, по- дать газ на метанатор, сбрасывать газ через регулятор перед ком- прессором. Убедившись в том, что содержание СО и СО2 после метанирования в норме, приступить к пуску компрессора азо- товодородной смеси. Дистанционно с ЦПУ закрыть электрозадвиж- ку и заслонку на входе' газа в метанатор
Синтез аммиака
1. Прекращение подачи
свежей азотоводородной
смеси из компрессии
Агрегат синтеза пере-
вести в «горячий ре-
зерв»
335«
Продолжение табл. 5.9.
Аварийные условия Причина Действия по их устранению
2. Содержание водорода выше нормы в газооб- разном аммиаке, выхо- дящем из аммиачных ис парителей Повышение электропро- водности питательной воды, выходящей из по- догревателя воды. Прекращение приема жидкого аммиака на окладе жидкого аммиа- ха. Появление течи в труб- чатке испарителя Появление течи в труб- чатке подогревателя Произвести аварийную остановку агрегата син- теза. Отключить компрессор азотоводородной смеси. Открыть электровептили на аварийных продувках циркуляционного газа из агрегата синтеза. Снизить давление до 0,1 МПа. Не допускать превыше- ния перепада давления на колонне синтеза вы- ше 1,96 МПа. Из сепаратора и кон- денсационных колонн спустить жидкий амми- ак до минимального уровня. Закрыть подачу жидко- го аммиака в испари- тели. Уменьшить подачу пи- тательной воды в подо- греватель. Выключить вентиляторы аппарата воздушного ох- лаждения.
Компрессор природного газа, установки сероочистки, кон-
версии метана и конверсии СО I-ой ступени остаются в работе.
Сброс газа осуществляют после конверсии СО I-ой ступени.
Установку синтеза аммиака отключают и переводят в «горя-
чий резерв».
Компрессор азотоводородной смеси, компрессор воздуха от-
ключают. Отключают и оставляют под давлением оборудова-
ние очистки газа от С02, метанатор и низкотемпературный кон-
вертор СО.
При длительном отключении электроэнергии (после кратко-
.временной остановки) останавливают компрессор природного
газа и закрывают подачу природного газа в горелки трубчатой
печи.
Насосы уплотнительного и смазочного масла на компрессо-
рах остаются в работе до полного охлаждения подшипников.
При этом включаются валоповоротные механизмы.
• Контактные аппараты (конверсии метана, конверсии СО
I-ой и П-ой ступеней, метанирования, синтеза) и абсорбер
336
МЭА-очистки поддерживаются в «горячем резерве», и продол-
жается подача пара в реакционные трубы печи.
3. Прекращение подачи природного газа. Внезапное отклю-
чение природного газа из сети приводит к прекращению подачи
технологического природного газа в агрегат и топливного газа
на сжигание. При этом происходит полная остановка агрегата
по системе блокировок группы АА.
4. Прекращение подачи охлаждающей воды. Производство
аммиака обеспечивается охлаждающей водой из водооборотно-
го цикла, входящего в состав производства аммиака. Для по-
дачи свежей воды предусмотрены два насоса — один рабочий и
один резервный. Один из иасосов подключен к третьему источ-
нику питания электроэнергией. Водяное охлаждение принято
для абсорбционно-холодильных установок (с температурой ис-
парения —10 и +1°С), холодильников смазочных и уплотняю-
щих масел, конденсаторов сальникового пара, охлаждения
подшипников электродвигателей и турбин и т. д., поэтому пре-
кращение подачи воды ведет к остановке производства. При
невозможности восстановления подачи охлаждающей воды не-
обходимо произвести полную остановку производства так же,
как и в случае отключения первого и второго источников элек-
троэнергии.
5. Прекращение подачи воздуха для нужд КИП. Снабжение
агрегата воздухом КИП осуществляется от компрессора техно-
логического воздуха. При остановке компрессора воздуха
включается резервный компрессор воздуха КИП. Для создания
запаса воздуха в системе (на 1 час работы) предусмотрены
специальные емкости.
При падении давления в системе воздуха для КИП, в слу-
чае общего прекращения подачи воздуха производство должно
быть остановлено в соответствии с инструкциями. При этом в
первую очередь необходимо отключить турбины компрессоров
природного газа и воздуха, МЭА-раствора, дымососов, пита-
тельных насосов.
Турбина компрессора азотоводородной смеси при отсутствии
воздуха КИП останавливается без вмешательства персонала.
При этом необходимо продолжать подачу пара (Р=40,5-
• 105 Па) в реакционные трубы печи, в линию воздуха перед
конвертором метана и к турбинам масляных насосов из систе-
мы пара Р=100-105 Па через редукционно-охладительную ус-
тановку (РОУ) пара 100/40.
6. Прекращение подачи пара или питательной воды. В слу-
чае прекращения подачи пара или питательной воды действия
персонала должны быть такими же, как при отключении элект-
роэнергии.
7. Разрыв трубопроводов или аппаратов с прорывом газа
или загоранием. При пропуске горючих, взрывоопасных и ток-
сичных веществ из аппаратов, машин, трубопроводов, армату-
ры и др. вследствие механических повреждений (трещины, про-
22—831
337
пуски во фланцах) отделение, в котором произошел прорыв или
загорание газа, и все последующие отделения подлежат не-
медленной аварийной остановке. Предшествующие отделения
надежно отключаются. Дальнейшие действия персонала по экс-
плуатации производства определяются размером опасности.
Мероприятия по обеспечению
техники безопасности, санитарных норм
выбросов в атмосферу и сбросов
сточных вод
Производство аммиака относится к категории взрыво- и
пожароопасных производств.
Современные энерго-технологические агрегаты производства
аммиака представляют собой органичное соединение различных
химико-технологических и теплотехнических процессов. Они
включают механическую и каталитическую очистку газовых и
жидкостных потоков, сжатие газов и жидкостей, тепломассооб-
мен в условиях высоких температур и давлений, различные ка-
талитические реакции. С точки зрения техники безопасности
в этом агрегате обслуживающий персонал имеет дело с токсич-
ными горючими и взрывоопасными веществами, находящими-
ся под давлением до 320-105 Па в широком диапазоне темпе-
ратур от ~70 до 1400 °C [118]. Поэтому при проектировании
производств аммиака осуществляют целый комплекс мероприя-
тий по технике безопасности, обеспечивающих безаварийную
эксплуатацию оборудования и безопасность обслуживающего
персонала.
В табл. 5.10 приводятся основные взрывоопасные, пожаро-
опасные и токсические свойства газов, входящих в состав газо-
вых смесей производства аммиака.
На производство аммиака распространяются общие прави-
ла безопасности, действующие в промышленности. Классифика-
ция производства аммиака по пожарной опасности, ПУЭ, сте-
пени огнестойкости и санитарной характеристике приведена
в табл. 5.11.
Основные противопожарные мероприятия. В производстве
аммиака все основное технологическое оборудование, за иск-
лючением компрессоров, а также все основные газопроводы
расположены вне здания.
Площадь отдельно стоящей наружной установки не превы-
шает: при высоте установки до 30 м — 7800 м2;
при высоте установки 30 м и более — 4500 м2.
Ширина отдельной наружной установки принята не более
36 м при высоте этажерки и оборудования более 18 м.
Наружные этажерки с оборудованием, содержащим горючие
газы, как правило, выполнены из железобетона. Там, где при-
338
менены стальные этажерки, их первый ярус защищен от воз-
действия высоких температур, при этом предел огнестойкости
защищенных конструкций принят не менее 0,75 ч.
Объемно-планировочные и конструктивные решения отделе-
ния компрессии исключают возможность проникновения в дру-
гие помещения газов в количествах, выше допустимых концен-
траций. Здание компрессии запроектировано с применением
легкосбрасываемых взрывной волной наружных ограждающих
конструкций.
Наружные этажерки и площадки с оборудованием имеют с
каждого яруса открытые лестницы:
при длине этажерки (площадки) до 18 м и площади до
108 м2— 1 лестницу;
при длине свыше 18 м, но не более 80 м — нс мопсе 2-х лест-
ниц;
при длине свыше 80 м — лестницы на расстоянии не более
80 м одна от другой.
Открытые лестницы этажерок и площадок, предназначенные
для эвакуации людей, расположены по наружному периметру
и имеют огнезащитные экраны (со стороны технологического
•оборудования) из несгораемых материалов с пределом огне-
стойкости не менее 0,25 ч.
В соответствии с СНиП установки обеспечены системами
внешнего и внутреннего противопожарного водоснабжения.
Наружные установки высотой более 12 м оборудованы ста-
ционарными лафетными стволами. Колонные аппараты при вы-
соте более 30 м выше отметок, орошаемых струями от лафет-
ных стволов, оборудованы системами водяного орошения.
Помещения ЭВМ, ЦПУ и кабельные туннели обеспечены ав-
томатическими установками пожаротушения. Агрегаты обору-
- дованы первичными средствами пожаротушения: для производ-
ственных зданий (сооружений категории А и Б) на каждые
400—500 м2 установлены два углекислотных огнетушителя и че-
тыре пенных, ящик с песком, войлок. Дополнительно на каж-
дые 1000—1500 м2 у аппаратов с ЛВЖ установлен один ста-
ционарный ОВПУ-250.
Вентиляция. Для предотвращения накопления в помещени-
ях газов во взрывоопасных концентрациях или в концентраци-
ях, превышающих санитарные нормы, в нормальных условиях
эксплуатации предусмотрена непрерывнодействующая принуди-
тельная приточная и естественная вытяжная вентиляция.
В машинном зале компрессии предусмотрена приточная вен-
тиляция (8-кратная смена объема в час).
Для оповещения о нарушениях в работе приточных венти-
ляционных агрегатов предусмотрена световая и звуковая сиг-
нализация с выносом на щит в ЦПУ. Предусмотрена также по-
дача воздуха к щитам у компрессоров, у которых наиболее про-
должительное время находится персонал в период пуско-нала-
22*
339
Таблица 5.10. Основные пожаро-взрывоопасные и токсические свойства
Вещество Пределы взрывае- мости в смеси, % (об.) Физико-химические свойства
с воздухом С кисло- родом описание плотность относи- тельно воздуха при 0 °C 7448 Па, г/г темпера- тура самовос- пламене- ния, °C
Метан 5,0—15,0 5,1—61 Бесцветный горючий газ, без запаха, с воздухом и кислородом образует взры- воопасную смесь 0,55 537
Этап 2,9—15 3,0—66,0 Бесцветный горючий газ, без запаха, с воздухом и кислородом образует взры- воопасную смесь 1,049 472
Пропан 2,1—9,5 2,3—55,0 Бесцветный горючий газ, без запаха, с воздухом и кислородом образует взры- воопасную смесь 1,562 466
Водород 4,0—75 4,1—96 Бесцветный горючий газ, без запаха, с воздухом и кислородом образует взры- воопасную смесь 0,07 510
Оксид углерода Диоксид углерода 12,5—74 Не взры- вается 15,5—94 Бесцветный горючий газ, без запаха, с воздухом и кислородом образует взры- воопасную смесь Бесцветный негорючий газ, без запаха 0,967 1,529 610
Азот — — Бесцветный негорючий газ, без запаха 1,0 —
Аммиак 15—28 13,5—79 Медленно горящий бесцвет- ный газ с резким запахом, с воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь 0,597 650
* Пользоваться фильтрующим противогазом при содержании Os в воздухе ниже 16% не
дочных работ. Подачу воздуха осуществляют от самостоятель-
ной приточной вентсистемы.
Кроме постоянно действующих приточных систем, в машин-
ном зале компрессии предусмотрено устройство аварийной при-
точной вентиляции с удалением воздуха естественным путем —
через шахты в кровле здания, обеспечивающей 8-кратный воз-
духообмен. Приямки для конденсатных насосов и водопровод-
ные каналы обслуживаются постоянно действующей приточной
340
газов.
Токсические свойства Предельно-допустимая концентрация, мг/м3, в рабочей зоне производ- ственных помещений Средства защиты
В больших концентра- 300 (в пересчете па уг- Изолирующий противо-
циях производит нарко- тическое действие лерод) 1 аз (шланговый или кислородный) при со- держании О2<16%
» »
В больших концентра- циях производит нарко- тическое действие — Изолирующий (шланго- вый или кислородный) противогаз при содер- жании О2<16%
Не ядовит, инертен, при высоких концентрациях вызывает удушье и нар- котическое действие. Изолирующий (кисло- родный или шланговый) противогаз при содержа- нии О2<16%
Отравляющее вещество, вызывающее кислород- ное голодание, приводя- щее к удушью 30 Фильтрующий марки «СО»
Не ядовит, обладает — Изолирующий (шланго-
наркотическим, а также удушающим действием, уменьшая содержание кислорода в воздухе вый или кислородный) противогаз ири содер- жании О2<16%
Физиологически инерт- ный газ, вызывает удушье, уменьшая со- держание кислорода в воздухе Изолирующий (шланго- вый или кислородный) Противогаз
Вызывает острое раз- дражение и ожоги сли- зистых оболочек, слезо- течение, удушье 20 Фильтрующий противо- газ марок «К» и «КД»
допускается. В этом случае необходимо применять изолирующий противогаз.
вентиляцией, обеспечивающей в них 10-кратный воздухообмен.
Управление электродвигателями вентиляционных систем осу-
ществляется у мест установки вентиляционных агрегатов. Их
отключение производится со щита ЦПУ.
При аварийной остановке рабочих вентиляторов приточных
систем предусмотрено автоматическое включение электродви-
гателей резервных вентиляторов.
Приточные осевые вентиляторы, установленные за наружны-
341
Таблица 5.11. Классификация производства аммиака
по пожарной опасности, ПУЭ, степени огнестойкости
и санитарной характеристике
На именование установки Категория пожарной опасности производ- ства Степень огнестой- кости ^Классификация по ПУЭ Группа вред- ности про- изводствен- ных процес- сов
класс поме- щения категория н группа взры- воопасных смесей
Помещение ком- прессии Наружные уста- новки: А II B-IA 4аТ1 1-6
Сероочистка, кон- версия СН4 и СО, моноэтанол амино- вая очистка, ме- танирование, син- тез, АХУ (/исп= =—10, +1°С) насосная Водооборотный цикл: А II В-1г % 4аТ1 Ш-б •
насосная стан- ция горячей воды Д II не взрыво- опасное •не катего- рируется не катего- рируется
градирни Д III не взрыво- опасное не катего- рируется не катего- рируется
ми стенами машинного зала корпуса компрессии, выполняются
в искрозащищенном исполнении с электродвигателем во взры-
вобезопасном исполнении.
Электроснабжение. По обеспечению надежности электро-
снабжения основные электроприемники производства аммиака
относят к I категории.
Электроснабжение потребителей, обеспечивающих нормаль-
ную работу производства, осуществлено от двух независимых
источников по двум вводам 6 кВ (рис. 5.5).
Технологические агрегаты, имеющие в качестве привода
электродвигатели мощностью 6 кВ, обеспечиваются питанием
от «РУ-бкВ»— цеховой подстанции. Агрегаты с приводом от
электродвигателей 0,4 кВ питаются от трех двухтрансформа-
торных комплектных трансформаторных подстанций (КТП)
6/0,4 кВ с трансформаторами мощностью 2500 кВт.
Для обеспечения надежной работы производства при нару-
шениях в схеме электроснабжения на секционных выключате-
лях «РУ-6 кВ» и КТП предусмотрено автоматическое включе-
ние резерва (АВР).
Для обеспечения безаварийной остановки производства при
отключении двух источников питания предусмотрен третий ис-
точник, в качестве которого обычно используются шины гене-
раторного напряжения ТЭЦ. К этому источнику через понижа-
342
3-й
источник
вкВ
1-ый источник
? ой источник
АВР
ВкВ
О,ЧкВ !
ВкВ
\ofixB
АНН
Питание
ответствен,
потребителей
Питание потребителей Ofi кВ,
обеспечивающих работу агре-
гата в нормальном режиме
электроснабжении
Витание особоатп- , I I___,
ветственных за- питмне
ротных м^ханиз- свойств КИП а
ротныхмеханиз А и двм
Рис. 5.5. Схема электроснабжения производства аммиака мощностью 1360 т/сут.
ющий трансформатор 6/0,4 кВ мощностью 1000 кВт подключе-
ны следующие потребители:
насос уплотнительного масла компрессора природного газа;
пусковой насос маслосистемы компрессора воздуха;
насосы уплотнительного масла компрессора синтез-газа;
насос смазочного масла компрессора синтез-газа;
насос глубокообессолеппой воды для пусковой котельной;
питательный насос для пусковой котельной;
аварийные вентиляторы помещения компрессии;
аварийное освещение.
В нормальном режиме эти потребители питаются от двух
источников, а в аварийном подключаются к третьему по схеме
АВР.
Для остановки производства, а также для обеспечения бес-
перебойного питания устройств КИПиА и ЭВМ. предусмотрен
агрегат бесперебойного питания (АБП). От АБП при исчезно-
вении питания от всех трех источников питаются особо ответ-
ственные задвижки технологических трубопроводов, валопово-
ротные механизмы компрессоров, аварийный насос уплотни-
тельного масла компрессора природного газа и компрессор
азота для термопар. Работа этих потребителей осуществляется
за счет запасенной энергии аккумуляторной батареей, подклю-
чаемой в работу автоматически при исчезновении питания на
вводе АБП через инвертор, преобразующий постоянный ток в
переменный (380/220 В).
343
Для ответственных электродвигателей предусмотрен их са-
мозапуск при кратковременном понижении напряжения в сети.
Выбор силы тока и исполнение электрооборудования и
средств автоматики произведены в соответствии с характери-
стикой среды и требованием ПУЭ, а для двигателей еще с уче-
том требования привода.
Используют в основном асинхронные электродвигатели, с
короткозамкнутыми роторами во взрывозащищенном исполне-
нии серии «ВАО», в закрытом обдуваемом исполнении серии
«АО», в защищенном исполнении серии «А».
Силовые и контрольные сети выбраны в зависимости от ха-
рактеристики окружающей среды и способов прокладки. В ос-
новном, применяют бронированные кабели с алюминиевыми
или медными жилами.
Защита от статического электричества и молииезащита. Защиту от ста-
тического электричества осуществляют путем отвода в землю зарядов и вы-
равнивания потенциалов, создавшихся на аппаратах, трубопроводах и ме-
таллических конструкциях.
Для этого каждая система аппаратов, трубопроводов и воздуховодов в
пределах цеха заземлена нс менее, чем в двух местах, присоединением к
магистралям защитного заземления или к очагам заземления. Все парал-
лельно идущие или пересекающиеся трубопроводы и воздухопроводы, рас-
положенные между собой на расстоянии до 0,1 м, соединены перемычками
через каждые 20 м. Трубопроводы и воздухопроводы, проходящие на та-
ком же расстоянии от металлических лестниц и конструкций зданий, соеди-
нены с ними перемычками. Трубопроводы и вентиляционные воздуховоды
на всем протяжении представляют непрерывную электрическую цепь.
По устройству молниезащиты в соответствии с указаниями по проекти-
рованию и устройству молниезащиты зданий и сооружений (СНиП 305—69)
производство аммиака отнесено ко II категории.
Для защиты от прямых ударов молнии пользуются стержневыми мол-
ниепрнемниками, установленными на здании компрессии, на площадках ап-
паратов и на дымовой трубе котельной.
Выбор и установка предохранительных клапанов. Все аппа-
раты, работающие под избыточным давлением свыше 0,7-
•105 Па, снабжены необходимым количеством предохранитель-
ных клапанов.
Для защиты аппаратов и трубопроводов применяют герме-
тичные пружинные предохранительные клапаны. При установ-
ке предохранительных клапанов на аппаратах с горючими и
токсичными продуктами (аммиак) предусмотрены меры, обеспе-
чивающие минимальную частоту их срабатывания. На аппара-
тах в системах непрерывно действующих агрегатов, оборудо-
ванных предохранительными клапанами без рычага для конт-
рольной продувки, срок пробега которых не должен превышать
6 мес., а также в тех случаях, когда выход из строя предохра-
нительного клапана может привести к остановке всего произ-
водства, предусматривают установку предохранительных кла-
панов (не менее двух) с переключающими устройствами. При
этом каждый из клапанов обеспечивает расчетную пропускную
способность, а переключающее устройство соединяет аппарат
(в рабочих условиях) только с одним из клапанов. Второй кла-
344
пан должен быть в исправном состонШШ, готоичм для немед-
ленного включения [144]'.
При определении сечения присоединительных труб для уста-
новки предохранительных клапанов, если длин» трубопровод»
превышает 1000 мм, учитывают его conpoiпиление (в любим
случае ДР не должно превышав 3% ог давления начала откры-
тия клапана).
В случае объединения труб от нескольких предохранитель-
ных клапанов, установленных па одном аппарате (трубопрово-
де) и рассчитанных на одновременную параллельную работу,
площадь сечения выхлопного коллектора принимают не менее
суммы площадей выхлопных труб от этих клапанов, т. е.
(5.3)
где F-—сечение объединенного выхлопного коллектора, м2; f — сечение вы-
хлопного патрубка клапана, м2.
В случае объединения сбросных трубопроводов от предохра-
нительных клапанов, установленных на разных аппаратах и не
рассчитанных на одновременную работу, площадь сечения об-
щей линии сброса от этих клапанов принимают не менее 25%'
от суммарного сечения площадей выхлопных патрубков всех
клапанов, но не менее чем площадь сечения выхлопного па-
трубка наибольшего предохранительного клапана.
После определения места и схемы установки предохрани-
тельного клапана, определения количества газа или жидкости,
подлежащих сбросу через клапан, а также выбора типа (мар-
ки) клапана производят расчет предохранительного клапана и
определяют необходимое число предохранительных клапанов.
Выбросы в атмосферу. В производстве аммиака имеются по-
стоянные и периодические сбросы газов в атмосферу, а также
сбросы, вызванные нарушениями технологического режима.
Постоянно в атмосферу сбрасывают дымовые газы из трубча-
той печи, подогревателя природного газа, а также через фа-
кельные установки.
На сжигание в факельную установку направляются газы,
сбрасываемые при пуске агрегата и при нарушениях техноло-
гического режима. Постоянно сбрасывают в атмосферу диок-
сид углерода, а также газы из предохранительных клапанов.
В табл. 5.12 приведены составы постоянных выбросов в атмо-
сферу.
Высоту труб для сброса дымовых газов и углекислого газа
определяют на основании допустимого содержания компонен-
тов в приземном слое населенного пункта, расположенного
вблизи завода.
Минимальная величина санитарно-защитной зоны от амми-
ачного производства составляет 1000 м.
Методика расчета рассеивания в атмосфере вредных ве-
ществ, содержащихся в выбросах, основана на определении
345
3
о
Cl-
io
3
CQ
ei
in
C3
Of
s
о
I V J л
О сч СЯ 0>0 О
Д О сл Z
346
Таблица 5.13. Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в атмосферном воздухе
Наименование вредных веществ Концентрация в приземном слое воздуха, мг/м3
в населенных пунктах в воздухе пром площадок в рабочей зоне промышленных предприятий
Диоксид азота 0,085 1,5 5,0
Аммиак 0,2 6,0 0,0
Оксид углерода 3,0 6,0 20,0
Диоксид серы 0,5 3,0 10,0
концентраций этих вредных веществ в приземном слое воздуха
С (мг/м3) [145].
Степень опасности загрязнения приземного слоя атмосфер-
ного воздуха выбросами вредных веществ определяется по наи-
большей рассчитанной величине приземной концентрации вред-
ных веществ, которая может устанавливаться на некотором рас-
стоянии от места выброса, соответствующей наиболее неблаго-
приятным метеорологическим условиям.
Наибольшая концентрация вредного вещества См (мг/м3) в
приземном слое атмосферы не должна превышать величины
максимальной разовой предельно допустимой концентрации
данного вредного вещества в атмосферном воздухе (ПДК).
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в
приземном слое воздуха приведены в табл. 5.13.
При одновременном совместном присутствии в атмосфере
нескольких вредных веществ, обладающих суммарным действи-
ем, их суммарная концентрация при расчете по формуле не
должна превышать единицы:
С1 , Сг , । . Сп . < ,
4= ПДК! + ПДКа +•••+ ПДК„
где Ci, Сц, Сп — концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе в
одной и той же точке местности, мг/м3; ПДКь ИДК», ПДКп— соответствую-
щие максимальные предельно допустимые концентрации вредных веществ в
атмосферном воздухе, мг/м3.
Расчет рассеивания производится на ЭВМ в зависимости от
реальных условий выбросов. Высота трубы для выброса ды-
мовых газов, определенная из общего содержания токсичных
газов на промышленной площадке, обычно составляет 40—
100 м. Факельная установка спроектирована в соответствии с
«Инструкцией по проектированию и безопасной эксплуатации
факельных установок для горючих газов и паров (ВСН 9—76)»
[146].
В аварийных случаях, а также в пуско-наладочный период
сбросные газы из отделений сероочистки-, конверсии метана и
оксида углерода, очистки газа от COs, компрессии, из агрегата
метанирования и синтеза сжигают на. факельной установке.
347
Газы, идущие на сжигание на факельную установку, по тру-
бопроводам, направляются в сепарационную часть факельной
трубы, где газ отделяется от сконденсировавшейся влаги. Во
избежание замерзания конденсата в нижней части сепаратора
размещен паровой подогреватель. Отделившийся от влаги газ
поступает в ствол факельной трубы. Для предотвращения попа-
дания воздуха в факельную трубу предусмотрен молекулярный
затвор, где постоянным потоком азота или природного газа соз-
дается газостатическая подушка, препятствующая попаданию
воздуха в ствол трубы. Пройдя сепарационную часть факельной
трубы, ствол трубы и молекулярный затвор, газ поступает в
факельную головку. В факельной головке предусмотрены де-
журные горелки, постоянно работающие на природном газе.
Количество воздуха, поступающее в каждую горелку, должно
быть отрегулировано так, чтобы обеспечить устойчивое пламя
без образования копоти. Зажигание дежурных горелок произ-
водят с помощью запального устройства, установленного у ос-
нования факельной установки.
При открытии ручных вентилей на линиях природного газа
и воздуха трубопровод «бегущего пламени» от запального уст-
ройства до дежурных горелок заполняется горючей смесью (в
соотношении газ : воздух= 1 : 10), которая воспламеняется при
подаче искры. Бегущее пламя зажигает дежурные горелки.
В случае угасания пламени дежурных горелок соответствую-
щий сигнал поступает на ЦПУ агрегата.
Конденсат из нижней части сепаратора и молекулярного за-
твора самотеком сливается через «утку» в конденсатоотводчик
и далее в канализацию производственных стоков.
Для предотвращения замерзания трубопроводы снабжены
паровыми спутниками.
Для предотвращения попадания воздуха в коммуникацию и
факельную трубу предусмотрена непрерывная подача азота в
трубопроводы сброса газа на факел после запорной арматуры.
Характеристика сточных вод; методы их удаления и обез-
вреживания. При нормальной работе в агрегатах производст-
ва аммиака постоянно сбрасывается газовый конденсат.
Сброс (в количестве 65 м3/ч) осуществляют в химически за-
грязненные стоки из бака отработанного газового конденсата
через гидрозатвор.
Газовый конденсат при 45 °C содержит 160 мг/л СО2, 80 мг/л
NH3 и ~ 100 мг/л органических соединений (в пересчете на ме-
танол и формальдегид).
В схеме с моноэтаноламиновой очисткой из смоловыделите-
ля один раз в 10—15 дней выгружают около 10 м3 кубового
остатка, представляющего собой вязкую, текучую массу темно-
го цвета с плотностью 1,3—1,4 г/см3. Сухое вещество кубового
остатка имеет следующий примерный состав (% масс.): моно-
этаноламин — 15—30%, зола и механические примеси — до 5%,
продукты разложения и окисления, нейтрализованные ще-
348
лочыо— до 75%. Содержание воды в кубовом остатке — не ме-
нее 60%. Из смоловыделителя кубовый остаток направляется
в захоронители.
В период пуско-наладочных работ сбрасывают химически
загрязненные воды, образующиеся при промывке системы паро-
образования и очистки газа от углекислого газа, оборотную во-
ду после сепаратора факельной установки, конденсат, образую-
щийся при восстановлении низкотемпературного катализатора
конверсии оксида углерода. Все эти сбросы сначала поступают
в накопители, а затем их сбрасывают на очистные сооружения.
Характеристика вредных химических веществ, используемых
в производстве аммиака.
Гидразингидрат (N2H4-H2O)—бесцветная жидкость, по запаху напоми-
нает аммиак. Плотность— 1030 г/л. Температура замерзания минус 51,7 °C.
С водой смешивается во всех отношениях. Обладает щелочными свойствами.
Сильный восстановитель. Вызывает раздражение ели шетых оболочек верхних
дыхательных путей и глаз, нарушение функций центральной нервной системы.
Обладает кумулятивным действием. Раздражающе действует на кожу чело-
века.
ПДК в воздухе 0,0001 мг/л, в воде водоемов 0,01 мг/л.
При поражении необходимо вызвать скорую помощь. Средства индиви-
дуальной защиты: фильтрующий промышленный противогаз марки «КД», за-
щитные герметические очки, перчатки, защитная спецодежда.
При содержании гидразина выше 40% гидразингидрат горюч и взрыво-
опасен. Температура вспышки 65 °C, температура воспламенения 101 °C.
Тринатрийфосфат (Na3PO4-12Н2О)—белое порошкообразное вещество,
хорошо растворимое в воде. В пылевидном состоянии вреден для дыхатель-
ных путей, слизистых оболочек кожи и глаз.
Моноэтаноламин (H2NCH2CII2OII)—бесцветная органическая жидкость.
Плотность 1,018 кг/м3 при 20 °C. Температура кипения 172 °C. Температура
замерзания 10,5 °C. Неограниченно растворяется в воде. Горюч, температура
вспышки 93 °C.
Оказывает токсическое влияние на центральную нервную систему, смер-
тельная доза — 1 г на 1 кг веса человека.
На производстве применяют 16—20%-ный раствор моноэтаноламина
Для приготовления раствора используют чистый моноэтаноламин. При
этом необходимо исключить непосредственный контакт человека с моноэта-
ноламином. Работы с концентрированным раствором МЭА следует произво-
дить в противогазе марки «А», резиновых перчатках, резиновых сапогах, про-
резиненном костюме с брюками навыпуск.
Допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны — 0,5 мг/м3.
Натр едкий (каустическая сода) (NaOH)—твердое белое вещество, хо-
рошо растворимое в воде. Температура плавления — 320 °C. Не горюч, ие
взрывоопасен.
Твердая каустическая сода — сильное водоотиимающее вещество, дейст-
вует на ткани человека прижигающим образом. Особенно опасно попадание
каустической соды в глаза —при этом происходит помутнение роговицы и
поражение радужной оболочки и, как следствие, слепота.
При попадании едкого натра на кожу необходимо промыть пораженный
участок большим количеством воды. При попадании в глаза тщательно про-
мыть широко открытые глаза струей воды.
Бихромат натрия (хромпик) (Na2C2O7-2H2O) — оранжево-красные крис-
таллы. Температура плавления — 357 °C. Гигроскопичен, на воздухе рас-
плывается. При нагревании до 100 °C теряет кристаллизационную воду, при
400 °C разлагается с выделением кислорода. Бихромат натрия обладает ток-
сическими свойствами, вызывая раздражение слизистых оболочек, кожи и
поражение желудочно-кишечного тракта.
Предельно допустимая концентрация бихромата натрия в воздухе (в пе-
ресчете на Сг2О3) 0,1 мг/м3.
349
При выгрузке следует соблюдать правила техники безопасности, как
при работе с пылевидными материалами, рабочие должны иметь защитные
очки, перчатки, респиратор. После окончания загрузки хромпика необходи-
мо; герметично закрыть люк дренажного ресивера; перекачать полученный
раствор в абсорбер.
Используется в абсорбционно-холодильных установках для пассивации
оборудования.
Карбонат калия (поташ) (К2СО3) — бесцветные кристаллы, температура
плавления 891 °C. Хорошо растворяется в воде. Гигроскопичен: быстро рас-
плывается на воздухе. Вдыхание пыли может вызывать раздражение дыха-
тельных путей, конъюнктивит, а иногда н желудочно-кишечные заболевания.
При работе необходимо использование индивидуальных средств защиты.
Пятиоксид ванадия (V2O5) — красно-желтый порошок, температура плав-
ления— 675 °C. Разлагается при 1750 °C. Растворимость в воде — 0,8 г на
100 г воды (20°C). Растворяется в щелочах, образуя ванадаты. Яд с весьма
разнообразным действием на организм: вызывает изменения в кровообра-
щении, органах дыхания, нервной системе, вызывает воспалительное и ал1
лергическое заболевание кожи, обладает выраженным раздражающим дей-
ствием.
Для пыли V2O5 ПДК в воздухе рабочей зоны 0,5 мг/м3, для дыма
V2O5 — 0,1 мг/м3.
Диэтаноламин — ДЭА (НОСН2СН2) 2NH—вязкая гигроскопичная жид-
кость. Температура плавления 27,8 °C, температура кипения 271 °C. Плот-
ность—-1019 г/л. Смешивается с водой и спиртом.
При попадании на кожу обжигает и разъедает ее. Оказывает также ток-
сическое действие на центральную нервную систему. При работе с диэтанол-
амином обязательно должны использоваться индивидуальные средства за-
щиты кожи [147].
ЛИТЕРАТУРА
1. Костандов Л. А. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1977, т. 22, № 2, с. 123—
130.
2. Гамбург Д. Ю., Семенов В. П. — Хим. технол., 1973, № 1, с. 3—9.
3. Курс технологии связанного азота/Атрощенко В. И., Алексеев А. М., За-
сорин А. П. и др. М., Химия, 1968. 384 с.
4. Афанасьева Г. Г., Тихонова Р. А.-—Хим. пром, за рубежом, 1977, № 7,
с. 3—23.
5. ВИКИ, 1978, № 3, с. 6.
6. Chim. actual, 1970, N 1416, р. 59.
7. Костандов Л. А. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № I,
с. 3—8.
8. Жаворонков Н. М. — Там же, с. 9—22.
9. Андрющенко А. И. Термодинамические расчеты оптимальных параметров
тепловых электростанций. М., Высшая школа, 1963. 230 с.
10. Евенко В. И. — Изв. вузов. Энергетика, 1968, № 11, с. 60—66.
11. Гохштейн Д. П. Современные методы термодинамического анализа энер-
гетических установок. М., Энергия, 1969. 368 с.
12. Бродянский В. М. Докт. дис. М., МЭИ, 1967.
13. Griihn G. — Die Technik, 1964, Bd. 19, N 6, S. 413.
14. Шаргут Я-, Петела P. Эксергия. Пер. с польск./Под ред. В. М. Бродян-
ского. М., Энергия, 1968. 279 с. ,
15. Шаргут Я., Стирильская Т. — В кн.: Эксергетический метод и его прило-
жения, М., Мир, 1967, с. 61—82.
16. Шаргут Я., Замбик Я. — Там же, с. 109—116.
350
17. Энергия и эксергия. Сборник/Под ред. В. М. Бродянского. М., Мир, 1968.
189 с.
18. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа.
М., Энергия, 1973. 296 с.
19. Жаворонков Н. М. и др. — Теор. основы хим. технол., 1970, т. 4, № 2,
с. 152—167.
20. Кафаров В. В. и др. — Теор. основы хим. технол., 1972, т. 6, № 6, с. 908—
915.
21. Перов В. Л. и др. — Хим. пром., 1973, № 1, с. 34—38.
22. Семенов В. П. и др. — Хим. пром., 1975, № 5, с. 359—362.
23. Семенов В. П., Сосна М. X., Лейтес И. Л. — Теор. основы хим. технол.,
1977, т. 11, № 2, с. 276—282.
24. Кафаров В. В. — Теор. основы хим. тсхпол., 1972, т. 6, № 6, с. 880—
892.
25. Лейбуш А. Г. и др. Производство технологического газа для синтеза
аммиака и метанола из углеводородных газов. М., Химия, 1971. 288 с.
26. Silbering L. — Chem.-Ing.-Techn., 1971, Bd. 43, N 12, S. 711—720.
27. Справочник азотчика. M., Химия, 1967. Т. 1, 492 с.
28. К jar J. Enthalpy Table Ideal Gases. Ilaldor fopsoc, Vcdbak, Denmark, 1969.
249 p.
29. Berg G„ Reinmuth E., Kapp E.— Chcm. Proc. Eng., 1971, v. 52, p. 49—
55.
30. Ellwood P. — Chem. Eng., 1971, v. 78, N 28, p. 48—50.
31. Quartulli O. /.—Oil a. Gas J., 1972, v. 70, N 2, p. 53—58.
32. Russel J. — Fert. News, 1971, v. 16, N 9, p. 30—36.
33. Кондращенко В. Д., Семенов В. П., Сосна М. X. и др. — Хим. пром., 1970,
№ 11, с. 851—854.
34. Арсеньев Л. В., Семенов В. П., Потанин А. П. и др. — Хим. пром., 1978,
№ 2, с. 121—123.
35. Семенов В. П., Сосна М. X., Гольдина О. Б. — Тсорет. основы хим. тех-
нол., 1979, т. 13, № 4, с. 600—603.
36. Очистка технологических газов/Под рсд. Т. А. Семеновой, И. Л. Лсйтеса.
М., Химия, 1977. 487 с.
37. Фурмер Ю. В. Очистка газов от сернистых соединений. М., НИИТЭХИМ,
1976. 31 с.
38. Справочное руководство по катализаторам для производства аммиака и
водорода. Пер. с англ./Под ред. В. П. Семенова. Л., Химия, 1973. 245 с.
39. Герасимов Я. И. и др. Химическая термодинамика в цветной металлур-
гии. М., Металлургиздат, 1960. 230 с.
40. Брек Д. Цеолитные молекулярные сита. Пер. с англ. М., Мир, 1976.
781 с.
41. Roy ль А. Л., Ризенфельд Ф. С. Очистка газа. Л!., Недра, 1968. 392 с.
42. Катализаторы, применяемые в азотной промышленности. Каталог. Чер-
кассы, НИИТЭХИМ, 1979. 25 с.
43. Данциг Г. А. Каталитическая и хемосорбционная очистка углеводородных
газов от сернистых соединений. (Учебное пособие для рабочих профессий).
М„ НИИТЭХИМ, 1979. 79 с.
44. Семенов В. П., Семенова Т. А. Производство аммиака по энерго-
технологической схеме. (Учебное пособие для рабочих профессий). М.,
НИИТЭХИМ, 1979. 80 с.
45. Goodmann D. R. — Chem. Eng., 1980, v. 87, N 353, c. 91—94.
46. Семенова T. А., Семенов В. П., Алексеев А. М. и др. Катализаторы ам-
миачного производства. (Учебное пособие для рабочих профессий). М.,
НИИТЭХИМ, 1979. 88 с.
47. Lloyd L., Twigg М. V. — Nitrogen, 1979, N 118, р. 30—34.
48. Боресков Г. К. Катализаторы и каталитические процессы. Новосибирск,
Ин-т катализа СО АН СССР, 1977. 189 с.
49. Lehmann О., Limmer Н., Rothenstein IL, Stuhmer К.-Н. — Chemische
Technik, 1975, Bd. 27, N 1, p. 30—32.
50. Томас Ч. Промышленные каталитические процессы и эффективные ката-
351
лизаторы. Пер. с англ./Под ред. А. М. Рубинштейна. М., Мир, 1973.
51. Uchida Н., ОЬа М., Isogal N., Hasegava Т.— Bull. Chem. Soc. Jap., 1968,
v. 41, N 2, p. 479—485.
52. Votter J., Berndt H., Lietz G. — Chemische Technik, 1976, v. 28, N 10,
p. 606—610.
53. Ray N.. Rath S., Sarkar D. — Technology, 1972, v. 9, N 4, p. 305—309.
54. Campbell J. — Ind. Eng. Chem., Proc. Des. Devel., 1970, v. 9, N 4, p. 588—
595.
55. Юрьева T. M. и dp. — В кн.: Вопросы кинетики и катализа. Межвуз. сб.,
Иваново, ИХТИ, 1979, с. 126—132.
56. Prudnikova О. I., Makarova О. V., Jurieva Т. М. — Reac. Kinel, a. Catal.
Lett, 1980, v. 14, N 4, p. 413—416.
57. Боресков Г. K-, Юрьева T. М. — В кн.: Теоретические проблемы катализа.
Новосибирск, Ин-т катализа СО АН СССР, 1977, с. 101—112.
58. Young Р„ Clark С. — Chem. Eng. Progr., 1973, v. 69, N 5, p. 69—74.
59. Ac. 218835, 1968 r.; 264358, 1970 г. (СССР).
60. A.c. 394991, 1974 г. (СССР).
61. Buckthorp C. — Nitrogen, 1978, N 113, p. 34—39.
62. Chari A. —Chem. Age India, 1978, v. 29, N 8, p. 689—690.
63. Аксельрод Ю. В. и др. — Теор. основы хим. технол., 1970, т. 4, № 6,
с. 845—852.
64. Нечуева Л. Г. и др. — Тр. ГИАП, 1979, вып. 55, с. 37—45.
65. Соколинский Ю. А. — Хим. пром., 1962, № 6, с. 24—27.
66. Nielsen A. An investigation on promoted iron catalysts for the synthesis of
ammonia. Copenhagen, Gjellerups, 1956. 233 p.
67. Киперман С. Л. Введение в кинетику гетерогенных каталитических реак-
ций. М., Наука, 1964. 607 с.
68. Темкин М. И., Пыжов В. М,— ЖФХ, 1939, т. 13, с. 851—867.
69. Темкин М. И. и др. — Кинетика и катализ, 1963, т. 4, № 4, с. 565—573.
70. Смирнов И. А. и др. — ДАН, 1963, т. 153, Ns 2, с. 386—389.
71. Денбиг К. Теория каталитических реакторов. М., Наука, 1968. 191 с.
72. Иоффе И. И., Песьмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного катализа.
М„ Химия, 1972. 462 с.
73. Kjaer J. Measurement and calculation of temperature and conversion in fi-
xed— bed catalytic reactors. Copenhagen, Gjellerups, 1958. 201 p.
74. Воротилина 3. И. и др. — Тр. ГИАП, 1971, вып. 6, с. 127—154.
75. Лачинов С. С. Исследования в области синтеза аммиака. М., МХТИ, 1971.
68 с.
76. Темкин М. И., Киперман С. Л. — ЖФХ, 1947, т. 21, с. 927—952.
77. Кузнецов Л. Д., Дмитренко Л. И. и др. Синтез аммиака, М., Химия,
1982.
78. Лачинов С. С. и др. — В кн.: Научные основы подбора и- производства
катализаторов. Новосибирск, Ред.-изд. отдел СО АН СССР, 1964, с. 144—
154.
79. Риз А. Химия кристаллов с дефектами. М., Издатинлит, 1956. 135 с.
80. Лачинов С. С. — В кн.: Научные основы подбора и производства катали-
заторов. Новосибирск, Ред.-изд. отдел СО АН СССР, 1964, с. 99—104.
81. Боресков Г. К. Теоретические проблемы катализа. Новосибирск, 1977.
32 с.
82. ОСТ 6-03-71—78. Катализатор синтеза аммиака.
83. Бритина Г. А. и др. — Хим. пром., 1973, Ns 1, с. 50—52.
84. Михайлова С. А. и др. — Тр. ГИАП, 1971, вып. 6, с. 175—183.
85. Правила безопасности для наземных складов синтетического жидкого ам-
миака. М., Недра, 1979. 59 с.
86. Упадышев К. Л., Упадышев А. К. Хранение жидкого аммиака в изотер-
мических резервуарах. (Памятка оператору). Черкассы, НИИТЭХИМ,
1979. 15 с.
87. Лисогор С. М. Опыт проектирования и строительства магистральных ам-
миакопроводов. Обзор. М., ЦИНИС Госстроя СССР, 1976. 61 с.
88. Упадышев К. Л., Орлов А. А.—Тр. ГИАП, 1978, вып. 51, с. 5—13.
352
89. Несвижский Ф. А., Харламов В. В. — В кн.: Азотная промышленность
Реф. сб. 1977, Ns 6, с. 20—32.
90. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. М.,
Энергия, 1977. 288 с.
91. Руководящие указания по коагуляции воды на электростанциях. ГЛ.„
СЦНТИ, Оргрэс, 1973. 45 с.
92. Руководящие указания по известкованию воды на электростанциях. М.„
СЦНТИ, Оргрэс, 1973. 95 с.
93. ГОСТ 20298—74. Смолы ионообменные. Катиониты. М., Изд-во стандар-
тов, 1981. 17 с.
94. ГОСТ 20301—74. Смолы ионообменные. Аниониты. М., Изд-во стандар-
тов, 1981. 20 с.
95. Баулина А. И. и др. Обработка воды па тепловых электростанциях. М.,
Энергия, 1966. 448 с.
96. Стырикович М. А., Мартынова О. И., Миропольский 3. JJ. Процессы гене-
рации пара на электростанциях. М., Энергия, 1969. 312 с.
97. Кутепов А. М., Стерман JI. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и тепло-
обмен при парообразовании. М., Высшая школа, 1977. 351 с.
98. Стырикович М. А., Катковская К. Я-, Серов Е. П. Котельные агрегаты.
М. — Л., Энергия, 1966. 487 с.
99. Оликер И. И., Пермяков В. А. Термическая деаэрация воды на тепловых
электростанциях. Л., Энергия, 1971. 185 с.
100. Шоузи Нисидзима— В кн.: Материалы симпозиума «Промышленные па-
ровые турбины» фирмы «Фудзи электрик компани». М., май, 1979, с. 5—
12.
101. Трумэн Л. К. мл. — В кн.: Технологические доклады фирмы «Дженерал
электрик». М., 1978, с. 1—3.
102. Щегляев А. В. Паровые турбины. М., Энергия, 1976. 356 с.
103. Попов А. Е., Камышева Т. Е., Усыскин А. Д.—Хим. и нефт. машиностр.,
1979, № 12, с. 7.
104. Киселев Г. Ф., Мыслицкий Е. Н. Техническое обслуживание н ремонт
центробежных компрессорных машин. М., Химия, 1979. 128 с.
105. Мельников Б. Н. и др. — Тр. ЦНИИКА, 1976, вып. 27, с. 45—50.
106. Мельников Б. Н. — Тр. ЦНИИКА, 1979, вып. 58, с. 3—8.
107. Ганелина Ф. А. и др. —Тр. ЦНИИКА, 1974, вып. 41, с. 16—20.
108. Баландюк Е. Г. и др.— Тр. ЦНИИКА, 1976, вып. 48, с. 13—16.
109. Мельников Б. Н. и др. Каталог АСУТП и П. М. ЦНИИТЭИприборо-
строения, 1978. 47 с.
ПО. Мельников Б. Н. и др. — В кн.: Тр. ЦНИИКА. М_, Энергия, 1972, вып. 34,.
с. 20—24.
111. Ганелина Ф. А. и др. Каталог АСУТП и П. М., ЦНИИТЭИприборострое-
ния, 1980, с. 3—5.
112. Джинчарадзе В. В., Николаев Г. В. Государственная система промышлен-
ных приборов и средств автоматизации. Каталог. М., ЦНИИТЭИприбо-
ростроения, 1975. Т. 2, вып. 6, с. 3—27.
113. Мельников Б. Н. Государственная система промышленных приборов и
средств автоматизации. Каталог. М., ЦНИИТЭИприборостроения, 1979.
Т. 2, вып. 1, с. 93.
114. ГОСТ 13377—75. Надежность в технике. Термины и определения. М.„
Изд-во стандартов. 25 с.
115. Базовский И. П. Надежность: теория и практика. Пер. с англ./Под ред.
Б. Р. Левина. М., Мир, 1965. 373 с.
116. Зубова А. Ф. Надежность машин и аппаратов химических производств.
Л., Машиностроение, 1978. 188 с.
117. Проникав А. С. Надежность машин. М., Машиностроение, 1978. 591 с.
118. Харламов В. В., Семенов В. П., Киселев Г. Ф. — ЖВХО им. Д. И. Менде-
леева, 1979, т. 24, № 4, с. 353—359.
119. ГОСТ 11.005—74. Правила определения оценок и доверительных границ
для параметров экспоненциального распределения и распределения Пуас-
сона. М., Изд-во стандартов, 1979. 29 с.
120. ГОСТ 11.007—75. Правила определения оценок и доверительных границ
23—831 353=
для параметров распределения Вейбулла. М., Изд-во стандартов, 1981.
30 с.
121. ГОСТ 11.004—74. Правила определения оценок и доверительных границ
для параметров нормального распределения. М., Изд-во стандартов, 1979.
20 с.
122. Ammonia Plant Safety (and Related Facility). New York, CEP Technical
Manual, 1977. V. 19. 549 p.
123. Freeman R.— Chem. Eng. Progr., 1975, v. 71, N 11, p. 71—74.
124. Bussenius S. — Die Technik, 1977, Bd. 32, N 5, S. 288—289.
125. Deane A., Brown F. — Chem. Age India, 1978, v. 29, N 12-A, p. Gen-3/1 —
Gen-3/8.
126. Matley J. — Chem. Eng, 1969, v. 76, N 19, p. 96—130.
127. Europ. Chem. News, 1967, v. 12, N 287, p. 4.
128. Holroyd R. — Chem. a. Ind., 1967, N 31, p. 1310—1315.
129. Finneran J., Sweeney N. — Chem. Eng. Progr, 1968, v. 64, N 8, p. 72—
74.
130. Daigree L., Nieman G. — Chem. Eng. Progr, 1974, v. 70, N 2, p. 50—
53.
131. Blanc J. R., Shan M. N. — Chem. Age India, 1978, v. 29, N 12-A, p. D-2/1 —
D-2/8.
132. Chem. Week, 1977, v. 120, N 6, p. 44.
133. Williams G. P., Sawyer I. G. — Chem. Eng. Progr, 1974, v. 70, N 2, p. 45—
49.
134. Chem. Week, 1971, v. 109, N 15, p. 77—79.
135. Харламов В. В., Семенов В. П., Киселев Г. Ф.—ЖВХО им. Д. И. Мен-
делеева, 1979, т. 24, Ns 4, с. 353—359.
136. В. Де, К- Narayanan — Chem. Age India, 1978, v. 29, N 12-A, p. Prod-3/1 —
Prod-3/5.
137. Маршев В. 3, Эльяш M. Л. Монтаж технологического оборудования за-
водов азотной промышленности, М, Стройиздат, 1979. 199 С.
138. Гуревич М. Л.—Монтажные и специальные работы в строительстве,
1975, Ns 3, с. 41.
139. Выговский Н. В., Хмельницкий М. Д., Фельдман Л. И. — Монтажные и
специальные работы в строительстве, 1980, Ns 2, с. 19.
140. Тахтамышев И. И., Гамаюнов Г. А. — Монтажные и специальные работы
в строительстве, 1973, Ns 1, с. 34.
141. Гуревич М. Л. — Монтажные и специальные работы в строительстве,
1980, Ns 6, с. 224.
142. Смирнов Л. П. — Пром, стр-во, 1980, Ns 1, с. 26—27,
143. Рыбалко Ю. Я. и др. — Там же, с. 29—32.
144. Сборник правил и руководящих материалов по котлонадзору. М., Недра,
1977. 479 с.
145. СИ 369—74. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных ве-
ществ, содержащихся в выбросах предприятий. М., Стройиздат, 1975.
41 с.
146. ВСН9—76. Инструкция по проектированию и безопасной эксплуатации
факельных установок для горючих газов и паров. М., Минхимпром, 1977.
38 с.
147. Вредные вещества/Под ред. Н. В. Лазарева, Э. Н. Левиной. Л., Химия,
1976. 607 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбент (ы)
активированный раствор поташа
1112
вязкость 109
емкость 108
моноэтаноламин 107
селективность 108, 109
термохимическая устойчивость
109
Абсорбер (ы)
аммиака 278, 279
габариты 325
коррозионное разрушение 321
МЭА-очистки 116, 125 сл.
для поташной очистки 114, 115,
117, 118
— Промывки водой 125, 126
с ситчатыми тарелками 116, 117
условия эксплуатации 321
'Характеристика 116
Абсорбционная холодильная водно-
аммиачная установка 273 сл.
Абсорбция
диоксида углерода 107 сл.
сернистых соединений 31
Аварийные остановки агрегата
анализ ситуаций 334, 335
блокировки 332, 333
прекращение подачи воздуха для
КИП 337
--------охлаждающей воды 337
—• — тара или питательной во-
ды 337
— — природного газа 337
разрыв трубопроводов или аппа-
ратов 337, 338
Автоматизированная система управ-
ления (АСУ)
агрегатом производства аммиака
блок указателей В12 297
блок управления БУ-Г2 296, 297
блокировка 332, 333
газоанализаторы 299
датчики 288 сл.
задающее устройство 297
защитное устройство 297, 298
измерительный блок И-04 293 сл.
отключение электроэнергии 333
регистрирующие приборы 298
регулирующие клапаны и отсека-
тели 298, 299
структура 280 сл.
схема связи функциональных бло-
ков 281
управляющий вычислительный
комплекс 299
23*
Автоматическое регулирование в си-
стеме аммиакопровода
головной насосной станции 300,.
301
обвязка поста секционирования
302
потока аммиака в пункте достав-
ки 301, 302
промежуточной насосной станции:
300, 301
система обнаружения утечек 304 сл.
Агрегат (ы) производства аммиака
аварийные остановки см. Ава-
рийные остановки агрегата
— ситуации, анализ 334, 335
автоматизация (АСУ) 279 сл.
АМ-76, регенерация растворов
117
анализ к.л.д. 18, 19
— работы 310 сл.
внеплановые остановки, анализ
310
водпоаммиачпая холодильная ус-
тановка 273 сл.
водоподготовка 174 сл.
воздушное охлаждение 219 сл.
дистанционное управление клапа-
нами, схема 286, 287
загрузка катализатора 161, 162
катализаторы см. Катализатор(ы)
монтажные работы 324, 325
надежность и безопасность рабо-
ты 306 сл.
оптимальное давление 151, 152
основное оборудование 154 сл.,.
325
очистка азотоводородпой смеси
243
паросиловое оборудование 201 сл
пароснабжение 198 сл.
подогреватели 156 сл.
пуско-наладочпые работы, гра-
фик 330, 331
пусковые работы 162 сл., 328 сл.
рабочие параметры 17
регулирование параметров, схема
286, 287
система защиты 285, 286
система парообразования см.
Производство пара
сооружение, особенности 323
строительство и монтаж, объем
323
структура управления 282, 283
термодинамический анализ Юсл.,
16 сл.
355>
Агрегат (ы) производства аммиака
техника безопасности 338 ел.
технико-экономические показате-
ли, расчет 283 сл.
технологическая схема 17
утилизация тепла 19, 20
фирмы «Кемико» 249
— ТЕС 249
энергетическое обеспечение, схе-
ма 172, 173
Адсорбент (ы)
активность цеолитов 31
ГИАП-10 38 сл.
оксид цинка 29, 36, 37
регенерация 30
С-7-2 38 сл.
сероемкость 34, 36, 37
характеристика 36 сл.
Адсорбер (ы)
радиального типа 43
шахтного типа 42
Адсорбционная активность цеолитов
31
Адсорбционная очистка газа
время работы поглотителя 39
понятная 185 сл.
от сернистых соединений 29 сл.
схема 38
цеолитами 43, 44
Азот
пожаро-взрывоопасные и токсич-
ные свойства 340, 341
теоретический расход на 1 т
N,H3 11
Азотоводородная смесь
активность НТК, восстановление
94, 95
методы синтеза 11
подогрев 156
соотношение Н2 : N2 150
Активность
адсорбционная 31
катализаторов метанирования 131
сл.
— синтеза аммиака 142, 143, 145,
147 сл.
— низкотемпературных 90 сл.
коррозионная абсорбентов 109
Аммиак
жидкий см. Жидкий аммиак
конденсация 277
коррекция состава воды 217
отравление НТК 93
ПДК в воздухе 347
— в рабочем помещении 341
пределы взрываемости 340
производство ’ см. Производство
аммиака
равновесная концентрация 138
синтез см. Синтез аммиака
содержание в циркуляционном
газе 149, 150
Аммиак
средства защиты 341
токсичность 341
физико-химические свойства 340
Аммиакопровод
автоматизированная система уп-
равления 299 сл.
«Голф Сентрал» 169
«Мид Америка» 169
отечественный 169 сл.
отключение 302, 303
посты секционирования 302, 303
разуплотнение, контроль 306
система связи 303
утечки аммиака, система обнару-
жения 304 сл.
центральный пункт управления
304
Аниониты
кремнеемкость 194
механизм действия 192
регенерация 193, 194
старение 194, 195
характеристика 191
Антивспениватели 124
Антрацит, применение в фильтрах
185
Аппарат (ы) воздушного охлаждения
158, 159, 277 сл.
Баланс (ы)
материальные 11, 12, 58, 59,
114 сл.
термодинамический, расчет 132 сл.
Бихромат натрия, характеристика
239
Блоки приборов
измерительный И-04 293, 294
регулирующий аналоговый 295,
296
указателей В12 297, 298
управления аналогового регуля-
тора 296, 297
Вода
деаэрированная 205
деминерализованная для промыв-
ки системы 2Г8, 219
качество 176 сл.
котловая 209, 212
питательная см. Питательная во-
да
подготовка для агрегата синтеза
аммиака см. Водоподготов-
ка
природная, примеси 174 сл.
продувочная котла, расчет 211
солесодержание 209, 212
турбинный конденсат, обработка
196
356
Вода
унос с паром 209 сл.
характеристика 177, 178
химически очищенная 1'26
Водоподготовка
ионитная 178, 185, 187, см. Ио-
нитная обработка воды
обессоливание 178
предварительная очистка (пред-
очистка) 178 сл.
Водород
активность НТК, восстановление
95
методы синтеза 11
ПДК 341
получение конверсией СО 78 сл.
пределы взрываемости 340
средства защиты 341
теоретический расход на 1 т NH3
11, 12
токсические свойства 341
'физико-химические свойства 340
Водяной пар
взаимодействие с СО 78, 79
движущий напор, расчет 203, 204
загрязнения 209 сл.
конденсация 219 сл.
конверсия метана см. Паровая
конверсия метана, Паро-
воздушная двухступенча-
тая конверсия
охлаждение воздушное 219 сл.
окисление углеводородов 44
получение в пусковом котле 205,
206
примеси, растворимость 212, 213
—, содержание 206 сл.
производство, схема L98 сл.
распределение в агрегате 199, 200
расход, автоматическое регулиро-
' вание 226, 227
система подачи на турбину 231
солесодержание общее 208, 209
соотношение с углеродом 45 сл.
циркуляция, схема 203
Воздух
ввод в шахтный реактор 76, 79
ПДК сернистых примесей 28
Восстановление каталитической ак-
тивности НТК 94, 95
Вспенивание растворов МЭА 124
Высокотемпературная конверсия
стехиометрические расходные ко-
эффициенты 16
термодинамический расчет 13 сл.
Вязкость абсорбентов 109
Г аз (ы)
пожаро-взрывоопасные и токси-
ческие свойства 340, 341
попутный нефтепереработки 21
природный см. Метан
технологический см. Технологиче-
ский газ
Газоотводящая секционная труба 72,
73
Генератор-ректификатор 275, 277
Гидравлическое сопротивление ката-
лизатора 98, 100 сл.
Гидразин
-гидрат, характеристика 349
коррекция состава воды 217, 218
Горелочные устройства
диффузионные 69
инжекционные 68, 69, 72
тепло1производитслыюсть 69
Гумификация 176
Давление
паров абсорбента 109
парциальное воздуха 215
Датчики
взрывозащищенность 293
манометр электрический взрыво-
защищенный 288
----дифференциальный 289 сл.
системы «САГА» 299
уравнемер буйковый 291, 292
усилители 292, 293
Деаэратор воды
двухступенчатая установка 216,
217
Производительность 215
термическая установка 214, 215
типа ДА-300 216
Декарбонизаторы 197
Диоксид азота, ПДК в воздухе 347
Диоксид серы
образование при регенерации ад-
сорбента 30
ПДК в воздухе 247
Диоксид углерода
гидрирование 1Й9
ПДК 341
пределы взрываемости 340
растворимость в воде 214
средства защиты 341
токсичность 341/
физико-химические свойства 340
Диэтаноламин
активация поташной очистки 113
токсичность 350
Газ(ы)
выбросы в атмосферу 346
переработки природных ископае-
мых 21
Емкость
абсорбционная 108
динамическая 190
357
Емкость
обменная, восстановление 190,
192, 193
—• установок обессоливания 108
Железохромовый катализатор
активность 83, 84
восстановление 84, 85
обессеривание 86
отравление 84, 85
состав и строение 82 сл.
среднетемпературный 84 сл.
устойчивость в работе 87
характеристика 81, 82
Жесткость воды 176, 177, 184
Жидкий аммиак
изотермическое хранение 164 сл.
испаритель 1'60
сепарация 159
транспортирование 168 сл., см.
также Аммиакопровод
Задатчик ручной потенциометриче-
ский 297
Защита оборудования от коррозии
122
Защитное устройство 2198
Известкование воды 181 сл.
Изотермический резервуар
конструкция 168
монтаж 327
размещение 166, 167
технико-экономические показатели
167
Изотермический склад 165
Ингибиторы коррозии 122 сл.
Ионитная обработка воды 178
иониты см. Иониты
катионирование 187
кинетика 187, 188
механизм 185, 187, 188
оборудование 196, 197
схема, выбор 195, 196
установки, технические характе-
ристики 197, 198
эффективность 190
Иониты
аниониты, регенерация 193, 194
—, свойства 193 сл.
Н-катиониты 191, 192
механизм действия 187, 192
смешанного действия 491'
стойкость 189
структура 188
технологические свойства 188, 189
характеристика Г91
Испаритель жидкого аммиака 160,
161
Карбонат калия
взаимодействия с СОг 112
коррозионная активность 123
характеристика 350
Карбонат никеля, образование 135
Катализатор(ы)
гидрирования см. Катализаторы
гидрирования
железный, синтеза аммиака см.
Промышленный катализа-
тор синтеза аммиака
конверсии метана см. Катализа-
торы конверсии метана
— оксида углерода см. Катали-
заторы конверсии оксида
углерода
отравление (яды) 133, Г34
Катализаторы гидрирования
оксидов углерода
активированные оксидом хро-
ма 129
активность, определение 132
— сравнительная различных.
типов 132, 133
железные для предкатализа
120
«Лейна» 138
никельалюминиевый 129 сл.
отравление ГЗЗ, 134
приготовление 13L
срок службы 13&
характеристика 130, 132
серосодержащих примесей
алюмокобальтмолйбденовый
31
алюмо'пикельмолибденовый 312
зауглерожнваиие 33, 34
отравление 27
приготовление 32
состав 82
сульфидирование 32
удельный расход 34
условия эксплуатации 34
характеристика 32, 33
Катализаторы конверсии метана
загрузка в шахтный реактор 76,
77
никелевые
активность 48, 50
восстановление 5Г
дезактивация 52
науглероживание 51, 52
отравление 51, 52
приготовление 60
на основе алюминатов кальция
52
промышленные, характеристика
49
Катализаторы конверсии оксида уг-
лерода
гидравлическое сопротивление
100 сл.
358
Катализаторы конверсии оксида угле-
рода
железохромовый см. Железохро-
мовый катализатор
низкотемпературные медьсодер-
жащие см. Низкотемпера-
турный медьсодержащий
катализатор
платиновые селективного дейст-
вия 97, 98
режим эксплуатации 106
усадка 103, 104
Каталитические процессы
восстановление см. Каталитиче-
ское гидрирование
окисление см. все процессы Кон-
версии
Катиониты
ионный обмен, механизм 190, 191
слабо- и сильнокислотные 189
характеристика 191
Керамические седла «Инталокс» 115
Кислород
взаимодействие с оксидом желе-
за 218
остаточное содержание в воде
217, 218
растворимость в воде 214, 215
Клапаны предохранительные 344
Классификация примесей в природ-
ной воде 174
Коагулянты 180
доза 183
железный купорос 182, 183
сульфат алюминия 179, 180
Коагуляция, метод осветления воды
178 сл.
Коллектор (ы) газовые 73, 75
Колонна(ы)
конденсационная 160
синтеза аммиака 154 сл., см. также
Реактор(ы)
график пуска 164
загрузка катализатора 155
конструктивные особенности
154
температурный режим 157
четырехпол очные 155, 156
Кольца Палля 115
Компрессоры
АТКА-545 265
азотоводородного газа высокого
давления 263
----низкого давления 261
----среднего давления 262, 263
воздуха низкого давления 251
выбор 246
монтаж 326, 327
поршневой для АВС 246
природного газа высокого давле-
ния 255
-—, типы 253
Компрессоры
синтез-газа, анализ простоев 314,
315
' -—, компоновка 256
ТАТКА-545/345 с электроприво-
дом 265
установки см. Компрессорные ус-
тановки
центробежные 246, 247
—, конструктивные особенности
265, 266
— с турбинным приводом 247
циркуляционный 159, 160
KoMinpeccopubie установки
для воздуха 248 сл.
опорные подшипники 266 сл.
природного газа 251 сл.
в производстве аммиака 247
системы смазки 270 сл.
Конвективная камера 65, 66, 74
Конверсия
метана (углеводородов)
аварийные ситуации, анализ
334
высокотемпературная 13
двухступенчатая паровоздуш-
ная 12 сл.
образование углерода, условия
51
полная паровая 11, 48
технологический режим 60, 61
оксида углерода
аварийная ситуация, анализ
324
аппаратура 98 сл.
двухступенчатая схема 96 сл.
паровая см. Паровая конвер-
сия оксида углерода
Конвертированный газ
очистка см. Мстанирование
сухой, состав в различных усло-
виях 45, 46
Конвертор (ы), см. также Реак-
тор (ы), Метопатор
аксиальные 105, 106
габариты 325
коррозия 321
радиальные 105, 106
условия эксплуатации 321
Конденсат
газовый отработанный, состав
348
турбинный 196
Конденсаторы воздушного охлажде-
ния
. вакуумные, схема 220, 221
организация работы 222, 223
преимущества 219, 220
Конструкционные материалы
азотирование сталей 319
коррозионно-эрозионный износ
317, 322
359
Конструкционные материалы
коррозия в газовых средах 318,
319
скорость (коррозии 320, 321
стали 317, 318
структурная стабильность 318
Коррозия аппаратуры
в 2()'% -ном моноэтаноламиновом
растворе 121
механизм 120
предотвращение 213 сл.
систем пароцроизводства 213
смешанная 213
химическая (пароводяная) 213
электрохимическая 213
Котел
накипеобразование 211, 212
продувка 211
пусковой однобарабаниый 204,
205
-утилизатор
вертикальные газо- и водо-
трубные 67
вспомогательный 201, 202
движущий напор, расчет 203,
204
конструктивные особенности
66, 67
коррозия 320
очистка трубных пучков 218
условия эксплуатации 320
циркуляция пара 203
Коэф фициент (ы)
стехиометрические расходные кон-
версии метана 16
уноса влаги 209
Кремниевая кислота, растворимость в
воде 207
Массообменные аппараты, основные
требования
Материальный баланс 114 сл.
водорода на 1 т NH3 11, 12
паровоздушной онверсии метана
58, 59
Меркаптаны 28
Метан (Природный газ)
конверсия, расчет процесса 13 сл.
остаточная концентрация 45 сл.
паровая конверсия см. Паровая
конверсия метана
пароуглекислотная конверсия см.
Пароуглекислотная кон-
версия метана
ПДК 341
пределы взрываемости 340
равновесная, концентрация 48
расход на 1 т NH3 14
средства защиты 341
токсические свойства 341
физико-химические свойства 340
Метанатор
габариты 325
загрузка катализатора 135
коррозия 321
условия эксплуатации 321
устройство 437, 138
Метанирование
аварийные ситуации, анализ 335
катализатор см. Катализатор
гидрирования оксидов уг-
лерода
подогрев газа, схема 137
стабилизация процесса 137
схема установки 136
условия 132
Моноэтаноламин
абсорбция СО2 109 сл.
активация поташной очистки 113,
114
взаимодействие с сероводородом
120
вспениваемость растворов 124
коррозия сталей 120, 121
очистка конвертированного газа
см. Моноэтаноламиновая
ючистка
ПДК в рабочей зоне 349
плотность 349
разгонка раствора 122
разложение в системе очистки
120
регенерация растворов 112, 116,
117
токсичность 349
физико-химические свойства 349
Моноэтаноламиновая очистка
карбонизация растворов 109
процесс МЭА—ГИАП 110 сл.
регенерация растворов 112, 116,
117
Монтаж агрегатов производства ам-
миака 324 сл.
Надежность агрегатов производства
аммиака
анализ 310 сл.
интенсивность отказов во време-
ни 308, 309
обеспечение 285, 286
оценка 307, 309, 315, 317
Насосы
для агрегата фирмы «Кеми ко»
240
__ _____TFC 940
200-CHS 240, 241
классификация 237
конденсатные 246
многоступенчатые секционные
244, 246
объемного действия 236
одноступенчатый для раствора
<60
Насосы
поташа 244, 245
питательной воды 237 сл., 249
ХБ-630/390 для систем очистки
газов 233, 244
центробежные 236
циркуляционные для котловой
воды 242
Натр едкий, характеристика 349
Нержавеющие стали 120 сл.
Низкотемпературный медьсодержа-
щий катализатор
активная поверхность, формиро-
вание 94
активность 87 сл.
марки 90
отравление 92, 93
смешанный и осажденный 89
состав 89
стабилизация 88
условия эксплуатации 91, 92
химическая регенерация 93, 94
Обезжиривание металлов 219
Обессоливание воды см. также Ио-
нитная обработка воды
полное 195, 196
Оборудование
агрегатов производства аммиака
31,3, 31-4
насосно-компрессорное 222 сл.
Окисляемости показатель >177, 184
Оксид алюминия 31, 89
Оксид железа 217
Оксид углерода
гидрирование 78, 129, см. также
Метанирование
двухступенчатая конверсия, схе-
- ма 96 сл.
остаточная концентрация в газе
79
паровая конверсия 78 сл.
ПДК 3'41, 347
пределы взрываемости 340
селективное окисление (схема
«Селектоисо») 97
средства защиты 341
токсичность 341
физико-химические свойства 340
Оксид хрома 89
Оксид цинка
адсорбция сероводорода 29
активный 37
константа диссоциации 29
сероемкость, расчет 36
стабилизация низкотемпературно-
го катализатора 89
таблетированный 34 сл.
характеристика 37
Опорный подшипник
многосегментиый 266, 267
модифицированный 267, 268
Осветлители 185, 186
Отходящие газы
выброс в атмосферу 345 сл.
рассеивание, расчет 345, 347
Очистка
воды предварительная см. Пред-
очистка воды
жидких углеводородов от серни-
стых .примесей 33
кислотная аппаратуры (удаление
окалины) 126, Г27, 219
конвертированного газа см. Очи-
стка конвертированного га-
за
природного газа см Очистка
природного газа
химическая предпусковая котлов
018, 21,9
щелочная металлических поверх-
ностей 219
Очистка конвертированного раза
,моноэтаноламином 116, 125 сл.
процесс «Бенфилд» 114
— «Ка.рсол» 414
сравнение методов 127, 1,28
технико-экономические показате-
ли 127
щелочная Г26
эксплуатация установок 124, 125
Очистка природного газа
абсорбционная сероочистка 29, 30
абсорбция СОг мопоэтапо лами-
ном см,. Моноэтаноламино-
вая очистка
аппаратура 4:1 сл.
двухступенчатая схема 29, 40 сл.
установки, анализ аварийных си-
туаций 324, 334
хемосорбционная, особенности
107, 108
цеолитная 30, 43, 44
Паровая конверсия метана
расходные коэффициенты И, 16
термодинамический расчет 13 сл.
Паровая конверсия оксида углерода
79, 80
Паровоздушная двухступенчатая
конверсия метана (Рифор-
минг)
катализаторы см. Катализаторы
конверсии метана
материальный баланс 58, 59
основы .процесса 44 сл.
расходные коэффициенты 16
соотношение Н2О : СН4 45
состав технологического газа 44 сл.
термодинамический расчет 13 сл.
технологическая схема .22' сл.
технологический режим 60, 61
361
Паросборник
габариты 3125
коррозия 321
содержание ионов PCV- 211
условия эксплуатации 321
устройство 202, 203
Пентоксид ванадия, токсичность 350
Пирротипы, образование 32
Питательная вода
взаимодействие с гидразином 217
деаэрация термическая 214, 215
коррекция состава 217, 218
коррозионная активность 213
растворимость диоксида углеро-
да 21'4
— кислорода 214, 215
расход 21,1, 212
содержание примесей 214
солесодержаиие 209, 212
Полиакриламид 180, 184
Поташ см. Карбонат калия
Предельнодопустимые концентрации
в воздухе
бихромата натрия 350
газов 347
гидразингидрата 349
пыли VzOb 35
в рабочем помещении
газов 341
моноэтаноламина 349
пыли V2OS 350
Пределы взрываемости смесей газов
с воздухом и кислородом
340
Предочистка воды
известкование 181 сл.
коагуляционное осветление 178 сл.
основное оборудование 185
речной, схема 181
Природный газ (метан)
очистка см. Очистка природного
газа
ПДК сернистых соединений 28
переработка см. Конверсия мета-
на
примеси 27
Производство аммиака
аварийные ситуации, анализ 335,
,336
в агрегатах большой мощности
см. Агрегаты производства
аммиака
вредные вещества, характеристи-
ка 349, 350
выбросы в атмосферу 345 сл.
защита от статического электри-
чества 344
классификация по ПУЭ 342
молниезащита 344
ПДК газов в рабочем помещении
341
Производство аммиака
рекуперация тепла 8
сточные воды 348, 349
темпы роста 7
термодинамический анализ 10 сл.
удельные энергозатраты 7
факельные установки 347, 348
эксергетический целевой к. п. д.
16
энергоснабжение 342, 343
энерготехнологические схемы 8
Производство лара
коррозионные повреждения, ви-
ды 213
предпусковая очистка системы
218, 219
продувка котла 211, 212
солевой баланс системы 212
твердые отложения 206, 207
условия устойчивой работы 206 сл.
Промышленный железный катализа-
тор синтеза аммиака
активность 142, 143, 145
восстановление 162, 163
гидравлическое сопротивление
145
загрузка 162
приготовление 143
промоторы 142
распределение в четырехполоч-
ном аппарате 161
состав 143
характеристика 144
Пропан, свойства 340, 341
Прочность механическая
катализатора НТК-491
ионитов 189
Пусковой подогреватель
воды 157, 158
габариты 325
с огневым обогревом 156, 157
Распределительные устройства
воздуха 79
фильтров 197
Растворимость
в воде
диоксида углерода 215
кислорода 214, 215
кремниевой кислоты 207
в паре примесей 212, 213
Расчет
гидравлического сопротивления
катализатора 101
движущего напора в паровых
трубах 203, 204
исходных реагентов конверсии
11, 12
оптимального режима агрегата
283 сл.
362
Расчет
процесса поглощения серы окси-
дом цинка 35, 36
рассеивания вредных веществ в
атмосфере 345, 347
расхода воды в котлах 211, 212
сероемкости оксида цинка 36, 37
температурных напряжений в ка-
тализаторе 104, 105
условий синтеза аммиака 139 сл.
эксергетических балансов 13 сл.
энтальпийных балансов 13 сл.
Реактор (ы)
с аксиальным кодом газа 98 сл.
габариты 325
гидрирования 41, 42
горизонтальный 104, 105
коррозия 321
метанирование см. Метанатор
полочные 99, 100
с радиальным ходом газа 98,
il02 сл.
сравнительные характеристики
105, 106
температурные напряжения 104,
105
-теплообменник 20
трубчатые, теплообмен 61, 62
условия эксплуатации 321
шахтные 99 сл., см. Шахтные ре-
акторы
Реакционные трубы
компенсация термического удли-
нения 65, 66
конструктивные особенности 62 сл.
.подвод парогазовой смеси 64
пружинные подвесные 62 сл.
прямоточные 63, 64
Регенераторы поглотительных рас-
творов 115
Регенерация
адсорбентов 39, 43, 44
анионитов 193, 194
ионитов 190
Н-катионита 192
моноэтаиоламиниового раствора
112, 146, 117, 119
низкотемпературного катализато-
ра 94
никелевых катализаторов 52
цеолитов 30, 31, 43, 44
Регуляторы электронные 298, 299
Сборник флегмы 119
Селективность абсорбции 108, 109
«Селектоксо» процесс 97, 98
Сепаратор
внутрибарабаниый 210, 211
жидкого аммиака 159
Сепарация пара
в барабанах парогенераторов
210, 211
влияние на содержание приме-
сей 212, 213
Сера, отравление катализаторов 52,
92
Сероводород
адсорбция оксидом цинка 29, 34
взаимодействие с МЭА 120
отравление катализаторов 92
Сероемкость
оксида цинка, расчет 36, 37
поглотителя ГИАП-10 38, 40
— С-7-'2 38
статическая и динамическая 34
цеолитов 43
Синтез аммиака
давление процесса, выбор 145 сл.,
151
катализаторы см. Катализаторы
синтеза аммиака
кинетика 139 сл.
механизм процесса 140
в нестационарных условиях 148
оптимальная температура 141,
142
равновесные условия, расчет 139
соотношение Н2 : N2 150
состав газовой смеси 147
температура в зоне катализа
448, 149
Система маслообеспечения 315, 316
Синтез-газ
содержание примесей 128, 129
тонкая очистка см. Метанирова-
пие
требования к чистоте 143
Скорость коррозии материалов 120
сл., 320, 321
Смоловыделитель 119
Солесодержание
котловой воды 209, 210
пара, общее 208, 209, 212
Стабилизация катализаторов 85, 86,
131, 132
«Старение» ионитов 194, 195
Степень
карбонизации раствора МЭА 109
насыщения анионитов 193
Стойкость химическая ионитов 189,
190
Сточные воды 348, 349
Сульфат алюминия, применение 179
Сульфиды
гидрирование 29
образование на катализаторе 29,
32
содержание в природном газе 28
363
Теплообменная аппаратура
выносной 158
габариты 325
коррозия 320, 321
условия эксплуатации 320, 321
Термостойкость катализаторов 131
Тетрагидротиофен 28
Техника безопасности в производ-
стве аммиака 338 сл.
Технологические схемы
абсорбционно-холодильной уста-
новки 276
блока синтеза аммиака 152
известкования воды 182
коагуляции речной воды 181
конверсии оксида углерода 96
очистки газа поташным раство-
ром 113
получения пара 199
процесса МЭА—ГИЛП ПО
распределения пара 200
селективного окисления СО 97
установки метанирования 136
— подогрева газа 137
Технологический газ
получение см. Конверсия метана
равновесный состав 44 сл.
сырье для получения 21
Технологический режим конверсий
метана 60, 61
Токсичность газов 341
Топочная (радиационная) камера
61, 62, 70 сл.
Транспортирование жидкого аммиа-
ка 168 сл., см. также Ам-
миакопроводы
Тринатрийфосфат, характеристика
340
Трубопроводы, монтаж 327, 328
Трубчатые печи
габариты 325
горелки 68 сл.
двухрядная ярусная 73, 75
катализаторы, размещение 49
конвективная камера 65 сл.
м,ногорядные 70 сл.
монтаж металлоконструкций 326
особенности конструкции 57, 61
парового риформинга углеводоро-
дов 8, 9
топочная камера 61 сл., 70 сл.
Турбины
активного типа 222
монтаж 327
Турбины
одноцилиндровая
для компрессора природного
газа 230, 231
с регулируемым отбором па-
ра 224 сл.
для полурегенерированного рас-
твора 234
для привода питательного насоса
239 сл.
пятиступенчатая конденсационная
236
реактивного типа 222
технические характеристики 224,
229, 232, 234
фирмы «Дженерал Электрик»
228 сл.
Углерод (Сажа, Кокс) 5)1
Удаление ржавчины 219
Удельные энергетические затраты на
1 т NH3 7
Уплотнение компрессоров
высокого давления 269
низкого давления 268, 269
плавающего типа 256
Устойчивость термохимическая аб-
сорбента 109
Утилизация тепла
в агрегатах производства аммиа-
ка 19, 20
при конверсии СО 80
Ферроферрит, образование 208
Фильтры
ионитные смешанного действия
196, 197
Н-катиоиитовые, эксплуатация
191, 192
механические напорные 185, 187
Флокулянты 180, 181
Функциональные схемы
блока указателей В12 297
— управления БУ-112 296
измерительного блока И-04 294
'потенциометрического задающего
устройства ЗУ ,ГГ 297
регулирующего аналогового бло-
ка Р12 295
Футеровочные материалы
жаростойкие бетоны 77
шамоты 72 ’
364
Химико-технологические системы
агрегаты см. Агрегаты производ-
ства аммиака
многостадийные, эффективность
15
эксергетический анализ 10
Хлор 92, 93
Хранение изотермическое жидкого
аммиака 164 сл.
Цеолиты 30, 31 '
Шаргута методика расчета эксергия
Шахтные реакторы
конструктивные особенности 99^
100
паровоздушной конверсии метана.
75 сл.
Производительность 50
распределение парогазового пото-
ка 100
сопротивление катализатора 10,1,
102
состав газа на выходе 46
характеристика 77
Эксергетический анализ работы1
агрегата синтеза аммиака
10 сл., 16, 17, 20
Энергетическое обеспечение агрегата
172, 173
Этан 340, 341
Этилмеркаптап 27, 28
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
В 1986 ГОДУ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» ПЛАНИРУЕТ
ВЫПУСТИТЬ КНИГУ:
Справочник азотчика: Производство разбавлеИной
и концентрированной азотной кислоты: Производство
азотных удобрений: Материалы, компрессоры и насосы
производств азотной кислоты и удобренной: Энергоснаб-
жение производств связанного азота и органических
продуктов: Техника безопасности производств связанно-
го азота и органических продуктов/ГИАП. — 2-е изд.,
перераб. — М., 1986. — 40 л., 2 р. 30 к.
Во втором издании (1-е вышло в 1969 г.) приведены
теоретические основы и технология процессов получения
разбавленной, концентрированной и особо чистой азот-
ной кислоты и азотных удобрений. Рассмотрено совре-
менное оборудование, принципы автоматизации. Опи-
саны свойства и области применения конструкционных
материалов. Даны рекомендации для выбора тепло- и
электротехнического оборудования; кратко освещены
вопросы техники безопасности.
Книга предназначена инженерно-техническим работ-
никам предприятий и институтов азотной и смежных
подотраслей химической промышленности.
Издание можно заказать заранее, до выхода из печати,
в книжных магазинах страны, распространяющих науч-
но-техническую литературу.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
В 1985 ГОДУ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» ГОТОВИТ
К ВЫПУСКУ в СВЕТ КНИГУ:
Справочник азотчика: Физико-химические свойства
газов и жидкостей: Производство технологических га-
зов: Очистка технологических газов: Синтез аммиака/
/ГИАП. — 2-еизд., перераб. — М., 1985. — 40 л.,2 р. 30 к.
Во втором издании (I-е вышло в 1967 г.) освещены
теоретические основы и технология процессов производ-
ства азотоводородной смеси и синтез-газа, синтеза ам-
миака. Даны примеры технологических расчетов, харак-
теристики катализаторов, адсорбентов и абсорбентов..
Рассмотрено типовое оборудование, а также принципы
автоматизации технологических процессов. Особое вни
мание уделено описанию энерго-технологических агре-
гатов оптимально большой единичной мощности.
Книга предназначена инженерно-техническим работ-
никам предприятий и институтов азотной и смежных,
подотраслей химической промышленности.
Издание можно приобрести в книжных, магазинах стра-
ны, распространяющих научно-техническую литературу..
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
ПРОИЗВОДСТВО
АММИАКА
Под ред. В. П. СЕМЕНОВА
‘Семенов Владимир Петрович
Орлов Анатолий Александрович
Киселев Геннадий Федорович
Семенова Татьяна Алексеевна
Овчинников Валентин Иванович
Коновалов Николай Ильич
Редактор О. А. Черткова
.Художник Б. А. Котляр
Художественный редактор К- К- Федоров
Технический редактор С. Ю. Титова
Корректор С. В. Торопцева
ИБ № 1177
Сдано в набор 21.01.85. Подп. в печ. 28.06.85. Т-15603. Фор-
мат 60х90‘/|б. Бумага кн.-журн.. Гарн. «Литературная». Пе-
чать высокая. Усл. печ. л. 23,0. Усл. кр.-отт. 23,0. Уч -нзд. л.
26,11. Тираж 5200 экз. Заказ № 831. Цена 1 р. 60 к.
Изд. № 2052.
Ордена «Знак Почета» издательство «Химия», 107076, Моск-
ва, Стромынка, 21, корп. 2.
Московская типография № 11 Союз пол игр афпрома при Го-
сударственном комитете СССР по делам издательств, поли-
трафни н книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская
ул., д. 1.