Материальный баланс конверсии природного газа 1 ступени

Содержание

 

 

Введение ………………………………………………………………….3

1. Процесс получения технологического газа в производстве аммиака…..6

2. Принципиальная схема получения технологического газа в производстве аммиака………………………………………………………… 10

3. Аппаратурное оформление процесса……………………………………16

4. Характеристика сырья и готовой продукции…………………………..30

5. Технологический расчет………………………………………………….32

5.1 Исходные данные для расчета………………………………………32

5.2 Материальный баланс конверсии природного газа 1 ступени……33

5.3 Тепловой баланс конверсии природного газа 1 ступени……….…..38

Выводы и предложения………………………………………………….51

Литература………………………………………………………….……54

 

 

Введение

 

Соединения азота играют исключительно важную роль в жизни на Земле, т.к. они являются составной частью всех белковых соединений и находят широкое применение во всех областях деятельности человека. Азот – один из наиболее распространенных элементов в земной коре (около 0,04 % мас.), а содержание его в воздухе составляет 78% об. Однако ввиду большой прочности связи в молекуле азота проблема получения его соединений искусственным путем была решена сравнительно недавно.

В начале CC в. появились первые промышленные установки по фиксации атмосферного азота дуговым и цианамидным способами. При дуговом методе азот соединяется с кислородом в оксид азота (II) при температуре 3000⁰ С по реакции:

N₂ + О₂ = 2NО, DН = 179 кДж

После этого оксид азота (II) переводится в оксид азота (IV) по реакции:

2NО + О₂ = 2NО₂ , DН = -124 кДж

Затем оксид азота (IV) поглощается водой с образованием азотной кислоты. Метод оказался нерентабельным ввиду малого выхода оксида азота (II) (не более 3-5% об.) и больших затрат электроэнергии.

При цианамидном методе карбид кальция взаимодействует с азотом при температуре 1000⁰ С по реакции:

СаС₂ + N₂ = СаСN₂ + С, DН = 301 кДж

Цианамидный метод оказался в 3-4 раза экономичнее дугового и получил наибольшее развитие в 1905 – 1925 гг. (максимальная выработка 0,25 млн т/год), но в дальнейшем потерял свое значение. Первая промышленная установка прямой фиксации азота воздуха электродуговым методом была построена в 1905 г в Норвегии. Максимальный объем производства оксидов азота по этому методу был достигнут в 1925 г (100 тыс. т/год), а уже в 1929 г была демонтирована последняя установка данного типа [10, стр.7]. Причиной этому послужило быстрое развитие нового метода фиксации азота – синтеза аммиака из элементов по реакции:

N₂ + 3Н₂ = 2NН₃

Этот метод отличался значительно лучшими показателями по расходу электроэнергии и себестоимости продукции по сравнению с другими методами. В настоящее время основным промежуточным продуктом для получения огромного числа различных азотсодержащих соединений является аммиак, а синтез его из азота и водорода – единственным крупномасштабным методом производства этого важного продукта [10, стр.7].

Перевод в 60-х годах ХХ в. азотной промышленности на природный газ позволил отказаться от менее эффективного каменноугольного сырья. Этот переход сопровождался модернизацией производства, значительным увеличением мощности отдельных агрегатов и завершился разработкой крупнотоннажных агрегатов мощностью по аммиаку 1360 – 1420 т/сут, объединенных в энерго-технологический комплекс.

Современные агрегаты синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут созданы на основе последних достижений науки и техники, что позволило добиться значительного снижения энерго-материальных и капитальных затрат, обеспечить низкую себестоимость продукции и высокую производительность труда. Все это достигнуто в результате разработки совершенных энерго-технологических схем, обеспечивающих высокий к.п.д. использования сырья и топлива, применения высокопроизводительного оборудования, более эффективных машин (центробежных компрессоров и циркуляционных насосов, абсорбционно-холодильных установок и т.д.), применения более активных, стабильных и селективных катализаторов, новых эффективных поглотителей, комплексной автоматизации производства и т.д.

Принцип энерго-технологический схемы состоит в тесной взаимосвязи между химическими и энергетическими процессами, между аппаратурой и машинами технологических и энергетических стадий, что позволяет достичь возможно более полную утилизацию низко- и высокопотенциального тепла, вести технические процессы с высокой скоростью [10, стр.11].

Из-за высокой стоимости используемых на производство аммиака энергоносителей (природный и попутный нефтяной газы) и их большого удельного расхода, определяющих себестоимость аммиака, в течение последних лет ведутся работы по интенсификации производства и усовершенствованию процессов, приводящих к снижению расхода природного газа. Возможными путями для достижения этой цели являются: усовершенствование процессов конверсии метана, повышение рекуперации тепла (в частности, уходящих газов трубчатой печи); создание более активных катализаторов, позволяющих работать при низких соотношении пара к газу и давлении синтеза аммиака, что позволит уменьшить расход энергии на сжатие азотоводородной смеси; применение для очистки от углекислого газа не химических, а физических растворителей, на регенерацию которых не потребуется расхода тепла; замена метанирования, связанного с дополнительным расходом водорода на гидрирование и повышением содержания инертных примесей в азотоводородной смеси, селективным окислением остаточного количества оксида углерода (II) в углекислый газ; выделение водорода из продувочных газов с помощью глубокого охлаждения и используя полупроницаемые мембраны, улучшение способа получения глубоко обессоленной воды и др. [2].

 

1. Процесс получения технологического газа в производстве аммиака

 

Современное производство синтетического аммиака состоит из ряда последовательных технологических стадий, сосредоточенных в отдельных блоках: сероочистки природного газа (в дальнейшем ПГ), конверсии метана, конверсии оксида углерода (II), очистки синтез-газа от оксида углерода (IV), метанирования, компрессии, синтеза аммиака, объединенных по технологическому принципу и, кроме того, по энергетическому – единой системой парового цикла, что обеспечивает энергетическую автономию агрегата синтеза.

Высокопотенциальное тепло дымовых газов используется для проведения эндотермического процесса конверсии метана, протекающего при высоких температурах в трубчатых печах. Его, наряду с теплом конвертированного газа, используют также для получения пара высокого давления, применяемого в турбинах большинства насосов и компрессоров. Низкопотенциальное тепло используется для получения технологического пара низкого давления, подогрева воды, получения холода и т.д. В таблице 1 приведены основные технико-экономические показатели получения аммиака по различным технологическим схемам, отражающие снижение себестоимости аммиака при внедрении крупных энерго-технологических агрегатов [10, стр.11].

Таблица 1 - Технико-экономические показатели получения аммиака по различным технологическим схемам.

Показатели	Парокислородная конверсия ПГ под давлением 0,2 МПа	Каталитическая конверсия ПГ с паром в трубчатых печах под давлением
3,0 МПа	4,0 МПа
Мощность, тыс. т/год Число линий Численность обслуживающего персонала, ед. Производительность труда, % Удельные капиталовложения, руб/т* Себестоимость 1 т аммиака, руб*			410 - 450

^* в ценах на 1982 г.

Двухступенчатая паровоздушная конверсия метана в трубчатых реакторах с достаточной для технологических целей точностью может быть описана следующими стехиометрическими уравнениями реакций окисления [4, стр. 44]:

СН₄ + Н₂О « СО + 3Н₂, DН = 206,4 кДж (а)

СН₄ + СО₂ « 2СО + 2Н₂, DН = 248,3 кДж (б)

СН₄ + 0,5О₂ « СО + 2Н₂, DН = -35,6 кДж (в)

СО + Н₂О « СО₂ + Н₂, DН = -41,0 кДж (г)

Константы равновесия реакций (1) и (4) равны:

где р_i – парциальные давления компонентов, Па.

Реакция окисления гомологов метана протекает аналогично, взаимодействие их с водяным паром может быть в общем виде выражено уравнением:

DН>0

Состав конвертированного газа определяется положением равновесия независимых реакций (а) и (г). Реакция (б) является производной, зависящей от реакции (г). Реакцией (в) можно пренебречь, т.к. ее константа равновесия при температуре 330 –1130 °С настолько велика, что концентрация кислорода в смеси практически равна нулю. Реакции можно считать необратимыми, т.к. при температуре 330 – 830 °С их константы равновесия много выше константы равновесия реакции (а). Гомологи метана и олефины практически полностью конвертируют уже при 400 – 500 °С.

Равновесный состав конвертированного газа зависит от температуры и давления, а также от состава исходной смеси. Конверсия углеводородов идет с увеличением объема и с поглощением тепла. Согласно правилу Ле-Шателье, термодинамическое равновесие реакций (а) и (б) сдвигается вправо при повышении температуры, понижении давления, увеличении мольного отношения пара и углекислого газа к метану в исходной смеси. Выбранным условиям процесса соответствуют определенный состав газа и только одно значение константы равновесия. При увеличении содержания водяного пара в исходной смеси и неизменных прочих условиях концентрация остаточного метана в конвертированном газе снижается пропорционально давлению. Поэтому на входе в трубчатую печь отношение пар: ПГ поддерживается равным (3,5 – 4):1 [4, стр. 45].

Несмотря на то, что повышение давления смещает равновесие реакции (а) влево, применение повышенного давления на стадии конверсии метана имеет следующие преимущества [1, стр.15]:

- существенно снижаются затраты энергии на сжатие конвертированного газа, объем которого значительно больше объема исходных газов;

- снижаются капиталовложения благодаря уменьшению объема аппаратуры и коммуникаций, стоимости оборудования отделения компрессии и т.д.;

- более эффективно используется низкопотенциальное тепло конвертированного газа;

- повышается производительность печи, т.к. степень превращения метана снижается медленнее, чем увеличивается объемная скорость.

Каталитическая конверсия углеводородов водяным паром является гетерогенным процессом, протекающим на границе раздела твердой (катализатор) и газообразной (смесь углеводородов, водяного пара , водорода и оксидов углерода) фаз. Началу химических реакций предшествует концентрирование реагентов на поверхности катализатора. Наибольшей каталитической активностью в реакциях взаимодействия углеводородов с водяным паром и диоксидом углерода обладает катализатор, содержащий никель в количестве от 3 до 40% масс. В отечественной промышленности применяют катализаторы ГИАП – 16, С – 11 – 2S ( фирмы Си – Си – Ай, США), 57 –1 (фирмы Ай – Си – Ай, Англия) и др. [4, стр. 50].

Активность никелевых катализаторов конверсии при 750 - 830° С достаточно велика. При объемных скоростях порядка 4000ч^-1 на гранулах катализатора достигается степень превращения углеводородов, близкая к расчетной равновесной. Скорость химический 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 превышать (4 – 6)×10⁵ Па, а скорость теплопередачи – механическими свойствами сталей, из которых изготовлены реакционные трубы [4, стр. 50].

 

 

2. Принципиальная схема получения технологического газа в производстве аммиака

 

На рис. 1 показана часть энерготехнологической схемы агрегатов производства аммиака, относящаяся к стадии полу­чения технологического газа.

Природный газ из заводского коллектора под давлением около 12∙10⁵ Па проходит через расходомер и после этого де­лится на два потока. Один поток, идущий на конверсию, сме­шивают в соотношении примерно 10:1 с азотоводородной смесью, поступающей из отделения синтеза аммиака, и направ­ляют в сепаратор 27 для отделения высших углеводородов, находящихся в капельно-жидком состоянии. Затем газ направля­ют 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 °С поступает в радиационно-конвективный огневой подогреватель 1, откуда выходит при 400 °С. Затем его направляют в аппарат 2 гидрирования сероорганических соединений до серо­водорода на алюмокобальтмолибденовом катализаторе. В двух последовательно установленных адсорберах 3 (на схеме пока­зан один) происходит очистка газа от сероводорода поглотите­лем на основе цинка до содержания серы не выше 0,5 мг/м³ газа. Далее природный газ смешивают в смесителе 4 с водя­ным паром в соотношении пар : газ, равном 4.

Полученную парогазовую смесь направляют в подогрева­тель 11, расположенный в конвективной части трубчатой печи, где температура ее повышается от 370 до 500 – 550 °С за счет тепла дымовых газов. Нагретая парогазовая смесь поступает распределительные коллекторы 14, из которых через газоподводящие трубки при давлении 37∙10⁵ Па смесь попадает в реакционные трубы 15, установленные в радиационной камере трубчатой печи 17. В реакционных трубах на никелевом ката­лизаторе происходит конверсия природного газа водяным паром.

Тепло, необходимое для реакции, получают сжиганием при­ходного газа в межтрубном пространстве печи. Из реакцион­ных труб конвертированный газ при 800 – 830 °С, содержащий около 10% остаточного метана, проходит через нижние секционные 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 ру­башку.

Далее газ поступает в смеситель шахтного реактора 20. Сюда же компрессором 26 под давлением 30∙10⁵ Па нагнетается технологический воздух, очищенный от механических примесей в фильтре 25 и нагретый в теплообменнике 12 до 500 °С. В свободном пространстве верхней части шахтного реактора 20 часть водорода, метана и оксида углерода, содержащихся в конвертированном газе, поступающем из трубчатой печи, сгорает с кислородом воздуха, при этом выделяется тепло, необходимое для эндотермической реакции оставшегося метана с водяным паром на никелевом катализаторе.

 

 

Из нижней части шахтного реактора 20 конвертированный газ под давлением 30∙10⁵ Па при 980 – 1000 °С поступает в котлы-утилизаторы первой и второй ступеней. Первая – высо­котемпературная – ступень 21 состоит из двух парогенерато­ров, расположенных симметрично по отношению к шахтному реактору 20. На вторую ступень 22 поступает технологический газ при температуре около 600 °С. Шахтный реактор 20 и пер­вая 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°С с отноше­нием пар : газ = 0,7 поступает на дальнейшую переработку в аппараты конверсии оксида углерода.

Второй поток природного газа, предназначенный для сжига­ния в трубчатой печи, огневом подогревателе и топках вспомо­гательного и пускового котлов, поступает в дегазатор 32. В этот аппарат сбрасывают также газовый конденсат природ­ного 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°С подается в сводовые короткофакельные горелки для сжигания в межтрубном пространстве трубчатой печи, затем в дополнительные горелки, установлен­ные в конвективной части трубчатой печи перед пароперегревателем 9, и во вспомогательные туннельные горелки, установлен­ные в газоходах реакционной части трубчатой печи.

Другая часть топливного газа сжигается в огневом подо­гревателе 1, вспомогательном котле 10 и (при пуске агрега­та) в топке пускового котла (на схеме не показан).

Дымовые газы покидают межтрубное пространство трубча­той печи 17 при температуре ≈1000°С. Физическое тепло го­рячих 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 °С отдает свое тепло для перегрева водяного пара в первой ступени пароперегрева­теля 9, для подогрева котловой воды в экономайзере 7 и нагре­ва топливного газа в подогревателе 8. Далее дымовые газы при температуре около 160 °С выбрасываются в атмосферу двумя дымососами 6 (на схеме показан один) через дымовую трубу.

Питательная деаэрированная химически очищенная вода при 100 °С подается насосом 28 под давлением 110∙10⁵ Па в эконо­майзер 7 и теплообменники, находящиеся в отделениях метанирования остаточных количеств оксида и диоксида углерода и синтеза аммиака. Здесь она подогревается до 300 ºС и посту­пает в паросборник 13, а затем — во вспомогательный котел, настроенный в конвективную часть трубчатой печи, в котлы-ути­лизаторы 21 и 22, установленные после шахтного реактора и в котел-утилизатор после конвертора СО первой ступени (на схе­ме не показан).

Насыщенный пар из котлов-утилизаторов под давлением 106∙10⁵ Па при 314 °С возвращается в паросборник 13, прохо­дит пароперегреватель 9 и под давлением 101∙10⁵ Па при 480 °С 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 °С поступает в смеситель 4 для конверсии природного газа в трубчатой печи. Остальной пар распределяется между кон­денсационными турбинами и турбинами, работающими с про­тиводавлением.

Контроль температуры и давления в конвективной и радиа­ционной камерах трубчатой печи агрегата осуществляют с по­мощью приборов, установленных на ЦПУ (центральный пункт управления) и рабочих площадках.

Радиационная и конвективная камеры трубчатой печи име­ют точки контроля температуры по тракту дымовых газов от выхода из трубчатой печи до дымососов. Кроме температуры контролируют разрежение в радиационной камере печи, в топ­ке вспомогательного котла, перед дымососами, причем датчик разрежения в радиационной камере печи через систему автома­тического управления связан с регулятором оборотов паровых турбин дымососов.

Для повышения надежности работы агрегата и удобства уп­равления им для температурного контроля оборудованы точки на стенках подогревателей пара, парогазовой смеси, питатель­ной воды, технологического воздуха, отопительного и конвер­тированного газов на выходе из труб. Трубчатая печь оборудо­вана приборами для измерения перепада давления в слое катализатора.

 

 

3. Аппаратурное оформление процесса

 

Конструктивной особенностью трубчатых печей является большое число (от нескольких десятков до нескольких сотен) одинаковых трубчатых реакторов — реакционных труб, образующих трубные экраны. Трубы заполнены катализатором и объединены коллектором парогазовой смеси на входе и конвер­тированного газа на выходе. Конструкция трубчатых печей тре­бует сложной системы коллекторов, равномерного обогрева труб и распределения по ним исходной парогазовой смеси.

Трубчатые печи отличаются применяемым рабочим давле­нием, типом трубных экранов, формой топочных камер, спосо­бом обогрева, конструкцией газоотводящих труб, способом ком­пенсации термического удлинения реакционных труб, формой газоходов, расположением камер конвективного подогрева ис­ходных потоков (газа, пара, воздуха, питательной воды и др.).. Трубчатые печи оборудованы смотровыми окнами, люками-ла­зами, взрывными панелями, отверстиями для запальников, пло­щадками для обслуживания. Для монтажа, ремонта и обслужи­вания трубчатых печей используют подвижные или стационар­ные подъемные краны.

Топочное пространство печи и газоходы футеруют несколь­кими слоями огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Большинство печей закрывают снаружи металлической обшив­кой, температура которой во время работы не должна превы­шать 60 °С,

Топочная (радиационная) камера. Теплообмен в трубчатых реакторах включает три стадии: подвод тепла к наружной по­верхности труб, передачу тепла через стенку труб и отвод его от внутренней поверхности труб к потоку реагентов и продук­тов реакции, Количество тепла Q, которое необходимо подвести к поверхности труб, определяется из условия материального и теплового балансов конверсии. Его можно выразить уравнением

где F – суммарная поверхность реакционных труб, установленных в топоч­ной камере, м²; ∆t – средняя разность температур между греющим потоком и потоком, потребляющим тепло; К – общий коэффициент теплопередачи, кДж/(м²∙ч∙ºС).

где d и L – диаметр и длина трубы, м; n – число труб в топочной камере. В общем виде

где F₁ – поверхность одной трубы, м².

Общий коэффициент теплопередачи и температурный пере­пад являются функциями многих теплофизических величин.

Длина реакционных труб и максимальные скорости потока в них определяются допустимым гидравлическим сопротивле­нием слоя катализатора я температурным перепадом между реакционной смесью и греющими газами. На протяжении пер­вых трех метров обогреваемой части трубы в слое катализа­тора осуществляется быстрый подогрев реакционной смеси и конверсия части исходных углеводородов. Равномерность обо­грева реакционных труб по высоте характеризуется коэффи­циентом равномерности φ₁, который для печей с верхним на­гревом на практике не превышает 0,84. Равномерность обогре­ва труб по окружности характеризуется коэффициентом равно­мерности φ₂, который определяется способом обогрева и типом трубного экрана. Для двухрядного экрана φ₂ = 0,56, одноряд­ного — 0,84. С учетом коэффициентов равномерности обогрева количество тепла, передаваемое через стенку реакционных труб, определяется уравнением

Реакционные трубы. Каждая труба является самостоятель­ным реактором, в котором в присутствии катализатора углево­дороды взаимодействуют с водяным паром за счет тепла, под­водимого через стенку трубы. Применяют реакционные трубы различных конструкций.

Реакционные трубы для конверсии под давлением (25 – 40) ∙10⁵ Па изготавливают из материала, который должен об­ладать хорошей свариваемостью, длительной прочностью и вы­соким сопротивлением ползучести при рабочей температуре.

Высокой длительной прочностью обладают реакционные трубы из стали 45Х25Н20С. Однако из-за низкой пластично­сти трубы из этой стали могут быть изготовлены только цент­робежным литьем с последующей сваркой заготовок. Недоста­ток этой стали – хрупкость в процессе эксплуатации, поэтому при монтажных работах и загрузке катализатора недопустимы сильные механические удары. Для труб, работающих при 900 °С и давлении (30 – 32) ∙ 10⁵ Па срок службы должен составлять от 7 до 10 лет. Центробежным литьем изготовляют отрезки труб длиной 1,7 – 4 м; для получения трубчатого реактора длиной 10 – 14 м отрезки труб сваривают электродуговым методом.

При аварии в реакционных трубах появляются продольные трещины, а затем большая щель. Выходящий из нее газ вос­пламеняется, образуется факел, который при достаточно боль­шой ширине щели начинает перегревать соседние трубы и раз­рушать футеровку топочной камеры.

Прямоточная реакционная труба (рис. 2), работающая под давлением до 32∙10⁵ Па, снабжена верхним и нижним приварными фланцами с крышками. Фланцы уплотнены металли­ческими кольцами или специальными плоскими асбометаллическими прокладками. Верхняя и нижняя бобышки 8 и 5 свар­кой соединены газоподводящей и газоотводящей трубками. Установленный на нижнюю крышку опорный стакан 7 и приваренная к нему опорная коническая катализаторная решетка из жаропрочной стали 12 предназначены для отвода конверти­рованного 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 реакци­онной трубы приварены четыре планки 6 для крепления дета­лей (сепараторов), фиксирующих интервалы между реакцион­ными трубами. К нижнему фланцу приварен стержень (па­лец) 2 которым реакционная труба свободно опирается на не­сущую булку. 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. 3), работающей под давлением до 37∙10⁵ Па (над сводом отопи­тельной камеры) длиной 1250 мм изготовлена из стали 15ХМ. Верхняя крышка трубы защищена от воздействия высоких тем­ператур теплоизоляционным стаканом. Фланцы уплотнены металлическими кольцами или специальными асбометаллическими прокладками. Верхний боковой штуцер приваривают к газоподводящей трубке. Нижняя часть реакционной трубы прива­рена к секционному коллектору; опорой для слоя катализатора служит стенка коллектора с просверленными отверстиями.

Рис. 3. Реакционная прямоточная труба, работающая под давлением до 37∙10⁵ Па:

а — разрез вдоль оси 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

 

Удлинение реакционных труб при нагреве их до рабочей температуры составляет 100—240 мм (в зависимости от длины трубы и температуры стенки).

В печах с верхней пружинной подвеской реакционных труб коллектор парогазовой смеси также устанавливают на непо­движных опорах, а свободно висящие коллекторы конвертиро­ванного газа приваривают к трубам, висящим на пружинных подвесках.

Конвективная камера трубчатой печи. Температура дымо­вых газов, выходящих из топочного пространства, на 80 – 200 °С выше, чем поверхности реакционных труб, т. е. колеб­лется в пределах 900 – 1100°С. За радиационной топочной камерой размещают конвективную камеру, в которой располагают теплоиспользующую аппаратуру. Конвективная камера футерова­на огнеупорными и теплоизоля­ционными материалами. Температуру регулируют с помощью основных и дополнительных го­релок. Дымососы создают в ка­мере разрежение. Трубы для на­грева технологически потоков изготовляют из хромомолибденовых или хромистых сталей. Для интенсификации теплообмена применяют оребренные трубы. Защита теплообменных потоков осуществляется автоматической подачей в них водяного пара; в некоторых случаях водяной пар (или азот) подают непосредственно в топочную камеру.

Котлы-утилизаторы. На агрегате АМ-70 генерируется около 360 т/ч пара высоких параметров, что эквивалентно установке энергетического блока мощностью 80 – 100 МВт. Котел-утилизатор первой ступени (рис. 4) установлен на линии конвертированного газа после шахтного реактора. Первая ступень состоит из двух параллельно работающих вертикальных водотрубных котлов. Трубный пучок (толщина трубной решетки 270 мм) выполнен из трубок Фильда, которые представляют собой двойную трубу, причем нижний конец на­ружной трубки глухой. Вода поступает сверху по внутренней трубке, пароводяная эмульсия поднимается снизу по кольцево­му зазору между внутренней и наружной трубками. Диаметр наружных трубок 50´3,5 мм, внутренних — 25´2 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.

Рис. 4.. Вертикальный водотрубный котел-утилизатор 1-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 поды в водяную рубашку; 8 — штуцер входа газа; 9— водяная рубашка; 10 — бетонная футеровка;

11 — трубки Фильда; 12 — штуцер сигнализации низкого уровня воды в рубашке; 13 — штуцер указателя уровня в рубашке

 

Общая поверхность обоих котлов-утилизаторов первой сту­пени составляет 500 м². На входе в первую ступень температура конвертированного газа составляет примерно 1000 °С, дав­ление — 30∙10⁵ Па.

Оба потока конвертированного газа из котлов-утилизаторов первой ступени при температуре 550 °С соединяются вместе и поступают в вертикальный газотрубный котел-утилизатор вто­рой ступени. На нижней толстостенной (240 мм) трубной решетке конвертированный газ равномерно распреде­ляется между жаровыми трубами, длина которых 3650, диа­метр— 25´5 мм. Толщина верхней (холодной) решетки состав­ляет 145 мм. Общая поверхность нагрева котла-утилизатора второй ступени 280 м². Конвертированный газ выходит из котлов при температуре 380 °С.

Трубное пространство котлов первой ступени и межтрубное котла второй ступени соединены с паросборником. Между котла­ми первой и второй ступеней и паросборником осуществляется естественная циркуляция паро­водяной эмульсии.

В зависимости от давления генерируемого пара выбирают материал для труб котлов-утилизаторов. 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 не­обходимо определенное количество технологического и энерге­тического пара. Его получают от заводской ТЭЦ, либо генери­руют 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 рабо­ты трубчатых печей крупных агрегатов во многом зависит от выбора типа горелочных устройств. По способу подачи воздуха на сжигание они бывают инжекционные и с принудительной по­дачей; по способу обогрева труб — факельные и настильного пламени. Горелки работают как на природном газе, так и «а его смеси с танковыми и продувочными газами. Одно из основ­ных требований к факельным горелкам состоит в том, чтобы пламя не касалось стенок реакционных труб.

На рис. 5 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 °С. Расход при­родного газа на горелку составляет 150 м³/ч. Коэффициент из­бытка воздуха при подогреве газа до 150 °С равен 1,15.

 

Рис. 5. Горелка инспекционная сводовая многорядной печи:

1 — заслонка; 2 — газовое сопло; 3 — смеси­тель; 4 — штуцер запальника с крышкой; 5 — головка горелки; 6 — корпус с крышкой;

7 — регулятор подсоса дополнительного воздуха; 8 — керамическое сопло; 9 — изоляция свода печи

 

Факел диффузионной горелки с принудительной подачей воз­духа (рис. 6), устанавливаемой на террасах топочных камер, направлен вверх под углом к наклонной огнеупорной стенке. В печах такого типа значительная часть тепла передается реак­ционным трубам радиацией от раскаленных до 1000—1200 °С наклонных стен. Топливный газ поступает в горизонтальную трубку диаметром 25 мм и выходит из нее через отверстия диаметром 3 мм. Поступление воздуха регулируют шиберами, выполненными в форме двух прямоугольных желобов с отверстиями, которые перекрываются при перемещении подвижного желоба.

 

Теплопроизводительность горелки 261,68 ГДж/ч, расход газа на сжигание 73,5 м³/ч, коэффициент избытка воздуха составляет 1,06 – 1,1.

Типы трубчатых печей. Многорядная трубчатая печь. В современных производствах аммиака, метанола и во­дорода большой (мощности наибольшее распространение получили прямоточные многорядные трубчатые печи с верхним пламенным обогревом. Печь состоит из двух блоков, топочной (рдиационной) камеры и блока использования тепла дымовых газов (камеры конвекции) со встроенным вспомогательным котлом. Основными преимуществами таких печей являются их компактность и относительно небольшие тепловые потери.

На рис. 7 представлен общий вид топочной камеры труб­чатой печи такого типа. В топочной камере установлены 12 параллельных секций, каждая из которых включает 42 реак­ционных трубы диаметром 114´21 мм и высотой 11 м. Трубы каждой секции вварены в нижний секционный коллектор с ша­гом 260 мм. Коллектор, диаметр которою 142´19 мм, футеро­ван блоками из огнеупорного бетона, облицованными листовым инколоем. Трубы подвешены на пружинах. Сек­ции труб свободно висят в топочном пространстве камеры. Кольцевые зазоры между реакционными трубами и сводом то­почной камеры уплотняют огнеупорными сальниковыми устрой­ствами.

 

 

 

Парогазовая смесь из коллекторов равномерно распределя­ется по газоподводящим трубам между реакционными трубами, в которых на никелевом катализаторе протекает паровая кон­версия углеводородов. Конвертированный газ собирается в сек­ционные коллекторы и поднимается по газоотводящим трубам в общий газосборный коллектор, футерованный теплоизоляци­онным бетоном и помещенный в водяную рубашку. Далее конвертированный газ по газосборному коллектору на­правляют в шахтный реактор.

Топочная камера футерована двумя слоями высококачествен­ного легковесного шамота общей толщиной 150 мм; температу­ра наружной металлической стенки печи не должна превышать 60 °С. Огнеупорные блоки свода топочной камеры подвешены на металлических шарнирных крюках. Камера снабжена смот­ровыми окнами, люками-лазами и облицована сварным кожу­хом из стали толщиной 5 мм.

Обогрев реакционных труб осуществляют факельными инжекционными горелками, которые расположены в своде топоч­ной камеры между секциями реакционных труб. В каждом ряду устанавливают 20 горелок. Дымовые газы поступают в га­зоходы, горизонтально расположенные между секциями реакционных труб в нижней части печи, и при 900—1100°С направляются в кон­вективную камеру. В торцевой стене каждого газохода имеются туннельные горелки.

Пройдя теплообменники конвектив­ной камеры, дымовые газы попадают в дымосос, откуда при температуре не более 160°С выбрасываются в атмосферу. Для обеспечения большей надежности работы тягу в печи создают двумя дымососами, при­чем оба имеют паровой привод. Тем­пературу конвертированного газа в секционных коллекторах замеряют термопарами. Производительность пе­чи по природному газу 36 000 – 38 000 м³/ч.

Один из недостатков печи данной конструкции — невозможность отклю­чения одной или нескольких реакцион­ных труб при аварийном их состоя­нии без остановки всего агрегата.

Двухрядная ярусная печь. Двухрядная ярусная трубчатая печь противоточного типа (рис. 8) имеет две параллельно работающие двухъярусные топочные камеры и блок, общий для обеих топочных камер, предназначенный для исполь­зования тепла дымовых газов и расположенный над камерами. В каждой топочной (радиационной) камере установлены в два ряда по 213 реакционных труб диаметром 121´16 мм и длиной около 14 м. Они имеют нижнюю жесткую опору, однако боль­шая часть их веса (95%) снимается противовесами через тра­версы.

Кольцевые зазоры между реакционными трубами, сводом и подом топочной камеры уплотняют огнеупорными сальниковы­ми устройствами.

Парогазовая смесь из коллектора 4 (рис. 8), установлен­ного на пружинных опорах 24, равномерно распределяется между реакционными трубами 8. Газоподводящие трубки 26 служат одновременно и для компенсации неравномерности ли­нейных удлинений реакционных труб.

В реакционных трубах на никелевом катализаторе протека­ет паровая конверсия углеводородов. Конвертированный газ по газоотводящим трубкам 13 собирается в секционные коллекто­ры 10, установленные на пружинных опорах 12, из которых по­ступает в футерованный коллектор (газоход) 14 и далее — в шахтный реактор. Топочная камера футерована двумя слоями высококачественного легковесного огнеупорного материала. Об­щая толщина футеровки 250 мм. Все блоки печи имеют сварной кожух толщиной 5 мм.

Топочная камера имеет смотровые окна 21, взрывные панели 22 и монтажные люки 18. Она оборудована диффузионными горелками 9 с принудительной подачей воздуха (за счет разрежения в топочной камере), установленными вдоль основания каждого яруса. Пламя настилается на наклон­ные боковые стенки печи. Большая часть тепла (60—70%) пе­редается реакционным трубам радиацией от раскаленных до 1100—1200 °С стен камеры.

Дымовые газы поднимаются вверх и при температуре около 1070 °С поступают в конвективную камеру. В поде камеры уста­новлено десять дополнительных горелок. Пройдя теплообмен­ники конвективной камеры, дымовые газы попадают в дымососы 2, оттуда при температуре ниже 200 °С выбрасываются в ат­мосферу. Для обеспечения большей надежности работы печь имеет два дымососа. Дымосос создает разрежение у пода то­почной камеры 3—5 и у свода — 8—10 мм вод. ст. (1 Па). Производительность печи по природному газу 36 000 m³/ч.

 

Характеристика сырья и готовой продукции

Состав природного газа должен удовлетворять следующим требованиям (%об.) [2]: СН4 85,9 – 98,7 С2Н6 0,15 – 5,0

Исходные данные для расчета

1. Расчет ведем на 100 м3 технологического природного газа. 2. Общее давление в печи, Па: 105. 3. Степень конверсии газа по углероду 0,69.

Материальный баланс конверсии природного газа 1 ступени

Проведем расчет материального баланса конверсии природного газа первой ступени в производстве аммиака. Цель расчета материального баланса – определение состава газовой смеси на… Материальный баланс конверсии 1 ступени проведем на основании математической модели В.И. Атрощенко и Г.Л. Звягинцева…

Тепловой баланс конверсии природного газа 1 ступени

Цель расчета теплового баланса конверсии природного газа 1 ступени: – определение прихода тепла в радиантную зону трубчатой печи со всеми… – определение расхода тепла на выходе из трубчатой печи со всеми потоками

Выводы и предложения

 

В процессе выполнения данного курсового проекта были рассмотрены теоретические основы процесса конверсии природного газа 1 ступени в производстве аммиака.

Современное производство синтетического аммиака состоит из ряда последовательных технологических стадий, сосредоточенных в отдельных блоках: сероочистки природного газа (в дальнейшем ПГ), конверсии метана, конверсии оксида углерода (II), очистки синтез-газа от оксида углерода (IV), метанирования, компрессии, синтеза аммиака, объединенных по технологическому принципу и, кроме того, по энергетическому – единой системой парового цикла, что обеспечивает энергетическую автономию агрегата синтеза.

Важнейшей стадией процесса является двухступенчатая паровоздушная конверсия метана в трубчатых реакторах.

Каталитическая конверсия углеводородов водяным паром является гетерогенным процессом, протекающим на границе раздела твердой (катализатор) и газообразной (смесь углеводородов, водяного пара , водорода и оксидов углерода) фаз. Процесс паровоздушной конверсии углеводородов осуществляется в трубчатой печи, состоящей из радиационной и конвективной камер.

Конструктивной особенностью трубчатых печей является большое число (от нескольких десятков до нескольких сотен) одинаковых трубчатых реакторов — реакционных труб, образующих трубные экраны. Трубы заполнены катализатором и объединены коллектором парогазовой смеси на входе и конвер­тированного газа на выходе.

Теплообмен в трубчатых реакторах включает три стадии: подвод тепла к наружной по­верхности труб, передачу тепла через стенку труб и отвод его от внутренней поверхности труб к потоку реагентов и продук­тов реакции.

За радиационной топочной камерой размещают конвективную камеру, в которой располагают теплоиспользующую аппаратуру. Конвективная камера футерова­на огнеупорными и теплоизоля­ционными материалами.

В курсовом проекте также дана характеристика сырья и готовой продукции, рассчитан материальный и тепловой баланс процесса конверсии природного газа в трубчатой печи.

В ходе технологического расчета были получены следующие значения:

объем влажного газа на выходе из трубчатой печи, м³ 470,72

объемная скорость газовой смеси, с^-1 1,116

остаточное содержание метана

в сухом конвертированном газе, % об. 9

объем топливного природного газа, м³ 42,8

объем катализатора, м³ 19,91

внутренний диаметр реакционных трубок, м 0,069

число реакционных трубок 446.

Уменьшение внутреннего диаметра и увеличение числа реакционных трубок интенсифицируют теплообмен в трубчатой печи, который является лимитирующей стадией конверсии. Однако при этом возрастают затраты металла и удорожается установка.

При уменьшении общего давления в системе увеличивается степень конверсии метана и уменьшается остаточное содержание метана в сухом конвертированном газе, но это приводит в целом к уменьшению производительности печи по природному газу.

При увеличении высоты реакционных труб возрастает среднеинтегральная температура в слое катализатора. При этом увеличивается константа равновесия реакции (1) и, следовательно, уменьшается остаточное содержание метана. Но при этом резко возрастают затраты металла на установку.

Необходимо учитывать влияние величины остаточного содержания метана на дальнейший технологический процесс.

Оптимальное сочетание перечисленных факторов может быть определено только на основании технико-экономического расчета.

Данный курсовой проект имеет важное практическое значение, а результаты расчетов могут быть в дальнейшем использованы для оптимизации технологического процесса конверсии природного газа

 

Литература

 

1. Методы расчета по технологии связанного азота. – Киев: Вища школа, 1978. – 312 с.

2. Справочник азотчика. Т.1. – М.: Химия, 1986. – 512 с.

3. Химическая промышленность, 1970, N⁰ 1, с. 36 – 38.

4. Производство аммиака. Под ред. В.П. Семенова. – М.: Химия, 1985. – 368 с.

5. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. – Л. Химия,1983. – 232 с.

6. Романков П.Г., Носков А.А. Сборник расчетных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии.– Л.: Химия, 1977. – 24 с.

7. Краткий справочник физико-химических величин. - 7-е изд. / Под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. - Л.: Химия, 1974. - 200 с.

8. Технологический регламент производства аммиака по способу фирмы TEC. – 1984.

9. ГОСТ 6221 – 90. Аммиак жидкий технический. Технические требования.

10. Синтез аммиака. Под ред. Л.Д. Кузнецова. – М.: Химия, 1982. – 296 с.

11. ГОСТ 6221 – 90. Аммиак жидкий технический. Технические требования.