Рассмотрим перспективные пути изменения технологии с позиции энерго- и ресурсосбережения.
• Снижение давления синтеза
Синтез аммиака проводится при давлении около 30 МПа. Поэтому предлагается существенно снизить давление синтеза (до 15 МПа и ниже). По-видимому, уменьшение давления вызовет значительную экономию энергии на сжатие исходной азотоводородной смеси. Поскольку реакция синтеза аммиака обратима и протекает с уменьшением объема, то снижение давления синтеза будет способствовать сдвигу равновесия реакции влево, в сторону исходных азота и водорода. Компенсировать сдвиг равновесия влево от снижения давления можно, например, путем понижения температуры экзотермической реакции синтеза с 450 – 500°С до 300 – 350°С. Очевидно, чтобы без снижения существующей производительности вести синтез аммиака, необходимы эффективные катализаторы, обладающие высокой активностью при 300 – 350°С.
• Использование мембранной технологии разделения аммиак-азотоводородной смеси
Мембранная технология основана на селективной проницаемости различных газов и паров через мембраны, изготовленные из высокомолекулярных соединений (полимеров). Основные направления использования мембранной технологии в агрегате синтеза следующие:
§ более полное выделение NH3 из циркулирующей через колонну синтеза смеси газов (H2, N2 и NH3);
§ выделение Н2 из газов резервуарного парка (танковые газы) и из газов сдувки (в настоящее время Н2 сжигается на факеле). Расчетная экономия природного газа только за счет дополнительного извлечения водорода и направления его в синтез может составить около 2,5%.
• Подготовка исходной азотоводородной смеси
Для синтеза NH3 требуется проведение очистки газовой смеси от СО2 с помощью раствора моноэтаноламина (МЭА). Сократить энергозатраты на стадии регенерации абсорбента можно путем замены МЭА на метилдиэтаноламин (МДЭА) или пропиленкарбонат (ПК). Регенерацию абсорбентов МДЭА и ПК проводят за счет сброса давления из абсорбера с использованием лишь незначительного подогрева.
• Более полная утилизация СО2
Одновременно при конверсии природного газа и выделения из него очищенной азотоводородной смеси для синтеза аммиака образуется большое количество СО2, около 1,23 т на 1 т аммиака. Основное количество диоксида углерода находит квалифицированное применение для получения карбамида (мочевины) по реакции:
СО2 + 2NH3 
H2NCONH2 + Н2О
Однако полностью утилизировать CO2 в синтезе карбамида не удается. Поэтому представляется целесообразным на базе СО2 содержащих газов производства аммиака организовать получение метанола по реакции
СО2 + ЗН2 => СН3ОН + Н2О
Например, корпорация «Тольяттиазот» с 2000 г. ввела производство метанола из диоксида углерода и водорода мощностью 400 тыс. т/год.
Энергетическая эффективность основного технологического оборудования агрегата синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут
(на примере компрессора)
Для сжатия синтез-газа применяют 4-х ступенчатый компрессор мощностью 32 МВт. Турбина компрессора потребляет пар с давлением 10 МПа и температурой 482°С в количестве около 360 т/ч. При конденсации отработанного («мятого») пара потери энергии достигают 0,4 Гкал/т NH3, в то время как расход энергии на синтез составляет около 8,4 Гкал/т NH3 Иначе говоря, потери энергии в турбине компрессора находятся примерно на уровне 4,8% от общих энергозатрат.
В этом примере вновь пришлось столкнуться с проблемой наглядности больших чисел. 1 Гкал = 109 кал, много это или мало? Одна кал равна количеству тепла, которое необходимо для нагрева 1 г воды на 1°С. Тогда одной Гкал можно вскипятить 10 т воды. Понятно, что в агрегате синтеза аммиака 1360 т/сут потери только за счет конденсации пара составляют: 1360·0,4 = 544 Гкал. Этого тепла достаточно, чтобы нагреть до кипения 5440 т воды. То есть, взять и вскипятить почти 109 железнодорожных цистерн с водой по 50 т воды в каждой. И такую процедуру можно проводить ежедневно, пока идет синтез аммиака.
Рис. 7.5 Схема утилизации теплоты химической реакции синтеза NH3
1 – колонна (реактор) синтеза; 2 – котел-утилизатор; 3 – теплообменник, восстановленный железный промотированный плавленый катализатор
На рис. 7.5 приведена одна из возможных схем утилизации теплоты химической реакции синтеза аммиака, выделяющейся в колонне синтеза (1), с помощью котла-утилизатора (2) и выносного теплообменника (3). Использование представленной схемы позволяет получать на 1 т аммиака (50 т/ч) ≈ 0,9 т пара с давлением 4 МПа, температурой 380°С, который используется для работы компрессора азотоводородной смеси.
Лекция 8