Энерготехнологические установки, использующие теплоту реакции синтеза аммиака

Как известно тепло может выделяться не только в реакциях горения углеводородов. Примером весьма эффективной энерготехнологической системы является синтез аммиака из азота и водорода.

Рассмотрим на примере промышленного процесса синтеза аммиака принципы создания энерготехнологических схем, для чего представим основные материальные потоки процесса синтеза аммиака следующей схемой (рис. 7.3).

Рис.7.3 Схема материальных потоков процесса синтеза NH₃

Схема аммиачного производства конверсией природного газа (метана) включает следующие основные технологические стадии (некоторые стадии опущены):

· очистка природного газа от S-содержащих соединений;

· конверсия метана (частично) водяным паром:

CH₄+H₂0CO + 3H₂ -AQ

Реакция эндотермическая проводится при температуре 800°С, давлении 3,5 МПа, катализатор Ni/Al₂O₃,

· Частичная конверсия метана кислородом воздуха:

СН₄ +1/2АО₂ + nN₂ =>СО + 2H₂ + nN₂ +Q

Реакция экзотермическая проводится при температуре ≈ 1100°С давлении 3,5 МПа, катализатор Ni/A1₂O₃

· Конверсия СО водяным паром

СО + Н₂О СО₂ + Н₂ +Q

Реакция экзотермическая проводится в 2 ступени: на 1-ой ступни температура ≈ 450°С, катализатор Fe₃O₄-Сr₂О₃, на 2-ой ступени температура 220°С, катализатор ZnO-CuO;

· Выделение из газа СО₂ (очистка от СО₂) водным раствором моноэтаноламина (МЭА) при температуре ≈ 50°С и давлении ≈ 3 МПа

HOC₂H₄NH₂ + СО₂↑ + H₂O НОС₂Н₄ Н_зНСО_з +Q;

· Регенерация МЭА нагреванием его отработанного раствора при температуре ≈ 110°С

HOC₂H₄NH₃HCO₃ =>НОС₂Н₄NH₂ + СО₂+ Н₂О -Q;

· Очистка азотоводородной смеси от «следовых» количеств СО и СО₂ до суммарного содержания оксидов углерода ([CO,CO₂] 5 ppm с помощью реакции «метанирования» при температуре 300°С в присутствии Ni/Al₂O₃

СО + ЗН₂ <=>Н₂О + СН₄ +Q

С0₂ + 4Н₂ 2Н₂О + СН₄ +Q;

· Компрессия смеси N2 + 3H2 до давления 30 МПа.

· Синтез аммиака при температуре 500°С, давлении 30 МПа в присутствии восстановленного железного промотированного плавленого катализатора

3H₂ + N₂<=>2NH₃+Q;

· Конденсация и охлаждение аммиака до температуры » - 35°С с целью обеспечения его хранения в жидком виде при давлении 0.2 МПа.

На рис. 7.4 приведена энерготехнологическая схема процесса синтеза аммиака.

Паровая конверсия метана осуществляется в трубчатом конверторе 1 при температуре ≈ 1100°С. Для ее обеспечения трубчатка конвертора обогревается теплом от сжигания природного газа. Дымовые газы имеют температуру 1400°С. В конвекционной камере конвертора расположены теплообменники для нагрева исходного сырья (метана), водяного пара для конверсии метана, воздуха для получения топливно-воздушной смеси.

 

Рис. 7.4 Энерготехнологическая схема синтеза NH₃

1– реактор паровой конверсии метана; 2 – паровоздушный конвертор CH₄,

3 - конвертор СО; 4 – абсорбер СО₂, 5 – компрессор; 6 – паровая турбина;

7 – колонна синтеза NН₃; 8 – изотермический резервуар для NH₃.

( дымовые газы, К– котел-утилизатор, П – водяной пар,)

В – воздух, Т – топливо, МЭА – моноэтаноламин

Отдав часть тепла, горячие дымовые газы направляются в котел-утилизатор (К) для получения пара, который затем направляется в паровую турбину 6, установленную на одном валу с турбокомпрессором 5.