Реферат: Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза

* Реакция С+ 2Н2 = СН4, приводящая к уменьшению количества угле­рода в стали и нарушению ее структуры, при температуре более 200 °С резко усиливается.

результатам. Изменением интенсивности циркуляции газа целе­сообразно пользоваться до тех пор, пока не будет установлена наиболее выгодная нагрузка агрегата по газу. В дальнейшем нагрузку изменяют только при резких расстройствах технологи­ческого режима. Постоянным приемом регулирования темпера­туры процесса синтеза является изменение соотношений газовых потоков, направляемых в колонну через главный вентиль и хо­лодный байпас (иногда два байпаса, а в колоннах с полочной на­садкой — даже четыре). При повышении температуры, наблюдае­мом ранее всего на входе газа, открывают вентиль холодного байпаса до тех пор, пока температура не достигнет заданной нормы. Если же при полном открытии этого вентиля температура продолжает возрастать, для поддержания ее в нужных пределах прикрывают главный вентиль, что приводит к увеличению потока газа, идущего через холодный байпас.

При понижении температуры поступают обратным образом. Сначала полностью открывают главный вентиль, затем постепен­но прикрывают вентили- холодного байпаса. Если эти меры не дают эффекта, приходится уменьшать количество газа, подавае­мого в колонну.

В насадках колонн с двумя холодными байпасами (см. рис. VI-12, стр. 296) можно регулировать температуру как в верх­ней, так и в нижней и средней зонах катализатора и достигать наиболее выгодного соотношения температур в верхних и нижних слоях катализатора. В ^колоннах с полочной насадкой по су­ществу регулируется температура на каждой полке в отдель­ности .

В ходе технологического процесса требуется также постоян­нее регулирование работы других аппаратов установки синтеза аммиака (высота уровней жидкости в сепараторах аммиака, тем­пература конденсации газа и другие параметры).

Автоматическое управление агрегатом синтеза. Схема агрега­та с автоматическим управлением процессом синтеза аммиака показана на рис. У1-26. При таком управлении агрегатом автома­тически регулируются следующие параметры процесса: темпера­тура в колоннах синтеза; уровни жидкого аммиака в сепараторе и конденсационной колонне; температура газа, выходящего из аммиачного конденсатора; состав циркуляционного газа по со­держанию инертных примесей (СН4 и Аг); выдача жидкого ам­миака из газоотделителя на склад; давление в газоотделителе. ••$

Для автоматического регулирования используется наиболее распространенная в настоящее время пневматическая унифи­цированная система. Каждый узел регулирования состоит из датчика, преобразующего контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной пере­дачи и дальнейшего преобразования в соответствующий импульс; регулятора, состоящего из одного или нескольких блоков, обе-

спечивающих поддержание заданного закона регулирования тех­нологического параметра; вторичного прибора (самопишущего или показывающего) с встроенным датчиком и* переключателем; исполнительного механизма — регулирующего клапана с пневмо-приводом или другого устройства. Общий принцип действия системы можно пояснить на примере автоматического регули­рования температуры в колонне синтеза.

Рис. У1-26. Агрегат синтеза аммиака с автоматическим управлением:

У—колонна синтеза; 2—водяной конденсатор; 3—сепаратор жидкого аммиа­ка; 4—конденсационная колонна; 5—испаритель; 6—центробежный циркуля­ционный компрессор; 7—газоотделитель; а—регулирующий клапан; Г—из­мерители температуры; Ь—измерители уровня; Р— измеритель давления; С—регулятор состава.

Электродвижущая сила (э. д. с.), возникающая в термопаре (датчике), пропорциональна температуре, которая отсчитывает­ся на шкале измерительного прибора. Отклонение температуры от заданной преобразуется специальным устройством в импульс давления воздуха, приводящий в действие систему регулирования. Чем больше отклонение, тем сильнее воздействие, передаваемое регулятором органу управления.

При повышении температуры открывается вентиль холодного байпаса, при снижении он прикрывается. Если этот прием регули­рования не приводит к повышению температуры при закрытом байпасе, регулирование производится изменением объемной ско­рости. При этом регулятор начинает подавать сигнал на открытие вентиля «длинного байпаса», вследствие чего уменьшается коли­чество газа, подаваемого в колонну циркуляционным компрес­сором.

Нарушения режима и меры их предупреждения. Нарушения технологического режима могут вызываться ненормальной рабо­той смежных звеньев производственного процесса или внутрен­ними причинами, в большинстве случаев непосредственно завися­щими от обслуживающего персонала. К первой группе причин относятся: подача газа, загрязненного контактными ядами (чаще всего окисью углерода), резкое нарушение соотношений водорода и азота в газе, а также прекращение подачи охлаждающей воды или электроэнергии.

При содержании в газе более 300 см*1м3 СО прием азото-водо-родной смеси в цех синтеза прекращается. Если же работа отде­ления компрессии не переведена на режим выхлопа газа, он вы­дувается из агрегата синтеза. При этом необходимо постоянное наблюдение за давлением в системе, так как иначе возможно рез­кое повышение давления и разрыв трубопроводов. В тех случаях, когда при увеличении количества СО в газе, ее содержание не превышает 300 сма!м*, работа цеха синтеза обычно продолжается, но автоматизированные колонны следует переводить на ручное управление, не дожидаясь снижения в них температур. При этом прикрывают вентили холодного байпаса, уменьшают цирку­ляцию газа и прекращают продувку агрегатов после первичных сепараторов, заменяя ее продувкой до колонн. Одновременное понижение температуры в нескольких колоннах может происхо­дить не только при попадании в газ окиси углерода, но и при рез­ком нарушении состава свежего газа. При этом принимаются меры к поддержанию заданной температуры в колоннах.

В случае прекращения подачи воды требуется немедленная остановка цеха. В противном случае произойдет повышение температуры газа перед циркуляционными компрессорами и пре­кратится охлаждение их сальников.

Из внутренних причин нарушения режима наиболее нежела­тельные последствия вызываются неправильной выдачей жидкого аммиака на склад. При этом повышается уровень жидкости в кон­денсационных колоннах, что может привести к попаданию жидко­го аммиака в колонны, резкому снижению температуры катализа­тора, следствием чего часто является поломка насадки колонн синтеза.

Превышение уровня жидкого аммиака в первичных сепара­торах может закончиться их переполнением и перебросом жид­кого аммиака в циркуляционные компрессоры. Вследствие этого в цилиндрах нагнетателей возникают гидравлические удары, ко­торые могут привести к разрушению машин.

Опасно также понижение уровней в указанных аппаратах {ниже нормы), так как при этом может исчезнуть гидравлический затвор, и газ под давлением 300 ат устремится в трубопроводы для жидкого аммиака. В результате возможно разрушение газоотде­лителя. Если даже при этом сработают предохранительные устрой- ства, неизбежно разлитие жидкого аммиака с возможностью отрав-ления им людей. При малейших неполадках в работе автоматиче­ского управления следует переходить на ручное обслуживание с выдачей жидкого аммиака из сепаратора («под- газ») и следить за давлением по манометрам, установленным на трубопроводах для жидкого аммиака.

Аварии могут возникать, кроме того, при нарушении режима работы циркуляционных нагнетателей. Увеличение сверх 30 ат перепада давления между всасывающей и нагнетательной лини­ями может привести к обрыву штоков в поршневых машинах, к сдвигу вала и разрушению подшипников циркуляционных нагнетателей. При возрастании перепада нагрузка нагнетателей должна быть немедленно снижена.

Следует также иметь в виду, что резкое уменьшение интенсив­ности циркуляции газа вызывает резкий скачок температуры в ко­лонне. Если в этом случае колонна находится на разогреве, воз­можен перегрев спиралей электрического подогревателя, что при­водит к выходу его из строя.

При возникновении неполадок на одном участке технологи­ческого процесса необходимо обращать серьезное внимание на все связанные с ним другие звенья, чтобы меры, принятые к лик­видации одного из нарушений, не вызвали возможных аварий на смежном участке.

Спецификация оборудования

Насадки колонн синтеза

Колонны синтеза состоят из корпуса и насадки, включающей теплообменник и катализаторную коробку.

Применяемые в настоящее время конструкции насадок можно свести к следующим типам:

1. Трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа, подразделяемые на противоточные, в которых потоки газа в теп-лообменных трубках и в слое катализатора имеют встречное направление (см. рис. VI-10), и прямоточные (обычно с двойными теплообменными трубками), в которых потоки газа движутся в трубках и в слое катализатора параллельно друг другу (см. рис. VI-! 1).

2. Полочные насадки с катализатором, загруженным сплош­ным слоем на полки, и подводом холодного газа в пространство между полками (см. рис. VI-13).

Известны также многочисленные варианты конструкции на­садок, являющихся комбинациями перечисленных выше типов (см., например, рис. У1-12).Производительность колонн во многом зависит от конструкции их насадок, совершенство которых оценивается простотой и надежностью работы, а также возможностью создания наиболее благоприятного температурного режима синтеза аммиака. В идеальном случае распределение температур по высоте слоя

Рис. VI-10. Противоточная насадка Рис. VI-11. Прямоточная насадка (здесь и на рис. VI-!! —VI-13 спра- с двойными теплообменными трубками ва изображены графики распределе­ния температур в катализаторной коробке):

/—предварительный (нижний) теплообменник;

2—катализаторная коробка; 3—теплообменные

трубки катализаторной   коробки.

катализатора должно соответствовать оптимальной температур­ной кривой (см. рис. У1-2, стр. 277). Для обеспечения оптималь­ного режима должно быть правильно определено соотношение размеров предварительного теплообменника и катализаторной коробки и организован отвод тепла из зоны реакции таким об­разом, чтобы исключалась возможность как перегрева, так и пе­реохлаждения катализатора.

Трудность создания температурного режима колонн синтеза, близкого к оптимальному, связана с тем, что образование аммиа­ка по высоте катализаторной коробки и, следовательно, выделе­ние тепла происходят неравномерно.

'380  Ш   500  500°С

№лдднь№ байлас

байпас

 

Вертикальные водяные холодильники-конденсаторы состоят из пучка согнутых в спирали труб высокого давления, помещенных в стальной цилиндрический кожух; концы труб ввальцованы в рас­пределительные камеры. Газ движется по змеевикам сверху вниз, вода проходит в кожухе противотоком газу. В зависимости от производительности агрегатов синтеза аммиака охлаждающая поверхность таких конденсаторов составляет 150—200 л*2.

К наиболее эффективным типам конденсаторов относятся спи­ральные теплообменники. Они достаточно компактны, однако из-за трудности изготовления еще редко применяются.

Аммиачные конденсаторы устанавливают в дополнение к водя­ным конденсаторам. Они являются второй ступенью охлаждения циркуляционного газа и служат для более полной конденсации из него аммиака. Ниже кратко описаны применяемые типы аммиач­ных конденсаторов.

Горизонтальный конденсатор представляет собой стальной котел, рассчитанный на давление 16 ат. В нижней части котла размещается от 5 до 8 секций труб высокого давления, каждая из которых состоит из шести горизонтальных труб, соединенных между собой.

Снаружи такого конденсатора расположены газовые коллек­торы, связывающие секции труб высокого давления по входу и выходу газа. Газ поступает в кон­денсатор сверху, разветвляется на параллельные потоки по секциям и движется вниз, переходя затем в ниж­ний коллектор. Нижние ряды труб высокого давления погружены в ки­пящий жидкий аммиак, залитый в котел, а верхние трубы охлаждают­ся парами аммиака. Чем меньше давление паров над жидким аммиа­ком, тем ниже возможная темпера­тура охлаждения. Обычно конденса­тор работает при давлении 2 ат.

Котел конденсатора имеет пред­охранительные устройства — ры­чажные или пружинные клапаны и взрывные пластины, предотвращаю­щие возможность случайного повы­шения давления в котле.

Газ

Слив Рис.   У1-19.   Аммиачный   кон­денсатор: /—ловушка брызг жидкого аммиака; 2—коллектор для входа охлаждаемого газа; 3—змеевики; 4—корпус; 5—труба для слива жидкого аммиака из брызго-отделителя; б—коллектор для выхода охлажденного газа.

Вертикальный конденсатор (рис. VI-19) также представляет собой котел, заполняемый до определенно­го уровня жидким аммиаком. В кот­ле размещены змеевики 3 (трубы высокого давления). Азото-во до род­ная смесь входит в конденсатор че­рез верхний коллектор 2 и движется через параллельно включенные зме­евики (до 12. шт.) внутренним диа­метром 25—35 мм. Охлажденная га­зовая смесь выходит из аппарата через нижний коллектор б при тем­пературе 10—20 °С.. Охлаждающая поверхность змеевиков-ис­парителей, установленных на крупных агрегатах, достигает 100 м*.

Жидкий аммиак подается в испаритель (конденсатор) снизу, газообразный испарившийся аммиак отводится по трубке в ло­вушку /. Здесь задерживаются капли жидкого аммиака, уно­симые газом; жидкость стекает обратно в аппарат через верти­кальную трубу 5.

 

Сепараторы и фильтры

Фильтры предназначены для очистки газа от твердых и жид­ких веществ, сепараторы — для отделения жидкого аммиака.

Применяются следующие способы выде­ления из газа твердых примесей и капель жидкости: фильтрация через пористые ма­териалы, очистка под действием силы тяже­сти и резкого изменения скорости и направ­ления газа, очистка в поле центробежных сил (созданием вращательного движения га­за). Различают несколько типов сепарато­ров и фильтров.

Рис.     У1-20.     Верти­кальный        сепаратор жидкого аммиака: I—крышка;   2— корпус;   3— отбойники;     4—внутренний цилиндр;   б—плита; 6—буй- ковая камера.

Вертикальный сепаратор (рис. У1-20) состоит из толстостенного стального цилин­дрического корпуса 2 с верхней и нижней крышками / и 5. Внутри аппарата имеется цилиндр 4, ввальцованный в верхнюю часть корпуса и опускающийся на треть его вы­соты. Газ, содержащий капельки жидкости, входит в сепаратор через отверстие и дви­жется по кольцевому зазору между внутрен­ней стенкой корпуса 2 и цилиндром 4. На выходе из этого кольцевого зазора газ изме­няет скорость и направление и устремляет­ся вверх цилиндра. Отделение капель жид­кости от газа лроисходит под действием силы тяжести, изменения направления и скорости газового потока.

Внутри цилиндра на металлических стер­жнях укреплены отбойники 3, представляю­щие собой стальные полудиеки, поверну­тые друг к другу под углом 30°. Уносимые газом брызги жидкого аммиака ударяются об отбойники и стекают вниз. Газ, освобож­денный от жидкости, выходит из сепаратора через верхнее отвер­стие, жидкий аммиак удаляется из аппарата снизу. Для предотвра­щения прорыва газа в жидкостной трубопровод (что очень опас­но) в сепараторе всегда поддерживается определенный уровень жидкого аммиака при помсщи регулятора уровня, получающего соответствующий импульс от бхйковой камеры 6.

Циркуляционные  нагнетатели

В качестве циркуляционных нагнетателей применяются порш­невые и центробежные компрессоры, а также газоструйные ком­прессоры (инжекторы).

Поршневые циркуляционные компрессоры (ПЦК) представляют собой машины двойного действия с сжатием газа в одну ступень и с одним или двумя параллельно работающими цилиндрами. Цилиндры не охлаждаются, так как количество выделяющегося тепла незначительно вследствие небольшой степени сжатия газа.

Характеристика некоторых типов поршневых нагнетателей, применяемых в производстве аммиака, приведена ниже:

1-й тип  2-й тип 180     360 129         147 450     560 210     260 292     750

Производительность, мя/ч сжатого газа .   . Скорость вращения вала, об/мин .   .- .   .   . Ход поршня,   мм ............

Дияметр цилиндра, мм   .........

Мощность двигателя, кет ........

Центробежные циркуляционные компрессоры (ЦЦК) являются многоступенчатыми центробежными машинами, непосредственно соединенными с электродвигателем и помещенные в толстостен­ный сосуд высокого давления (корпус). Такая конструкция ком­прессора позволяет исключить применение сальников, что яв­ляется одним из достоинств ЦЦК (см. ниже).

Газ входит в корпус ЦЦК (рис. У1-24) со стороны двигателя, движется в кольцевой щели между корлусом компрессора и элек­тродвигателя и выходит через окно промежуточного фонаря во всасывающую камеру первого рабочего колеса. Здесь газ центро­бежной силой отбрасывается на периферию. Проходя все рабочие колеса машины, газ подвергается сжатию до нужного давле­ния и через нагнетательный патрубок удаляется из компрессора в трубопровод.

В большинстве случаев центробежные компрессоры работают при перепаде давлений 15—20 ат между всасывающим и нагне­тательным патрубками и, в зависимости от этого, имеют от 10 до 14 рабочих колес. Производительность ЦЦК составляет 300— 400 м3/ч сжатого газа.

Изоляционные материалы в электродвигателях аммиачных компрессоров при соприкосновении с аммиаком быстро теряют диэлектрические свойства. Поэтому, чтобы предотвращался кон­такт изоляции с циркуляционным газом, для обдувки двигателя применяется свежая азото-водородная смесь, предварительно

•освобожденная от водяных паров путем охлаждения испаряю­щимся аммиаком с последующей осушкой смеси силикагелем.

Компрессор имеет байпас (перепускной вентиль), которым пользуются при пуске машины и для регулирования ее нагрузки.

Преимущества центробежных компрессоров перед поршневы­ми заключаются в следующем: ЦЦК работают почти без смазки, благодаря чему газ не загрязняется маслом. Из-за отсутствия сальниковых уплотнений высокого давления в таких компрессо­рах снижаются потери газа и уменьшается возможность прони­кания газа в рабочие помещения. ЦЦК создают равномерный га­зовый поток без пульсацийг характерных для работы поршневых компрессоров.

310

Типы контрольно-измерительных приборов

Измерение температуры

Температуру газа и кислоты в сернокислотном производстве измеряют при помощи ртутных термометров, термометров сопротивления и термопар, причём точность измерения термометрами сопротивления и термопарами выше; для обеспечения такой точности применяются разнообразные логометры, мосты сопротивления, милливольтметры и потенциометры – показывающие, автоматические регистрирующие одновременно несколько показаний и сигнализирующие.

Для измерения температуры до 500°С широко применяют ртутные термометры, однако более удобны в производственных условиях термометры сопротивления. Принцип их действия основан на измерении электропроводимости металлов при различной температуре.

Для измерения более высоких температур (300-1800°С) применяют термопары, состоящие из двух спаянных проволочек, выполненных из различных металлов или сплавов).

Измерение давления и разрежения

Измерение давления и разрежения осуществляется с помощью U-образных (двухтрубных) и чашечных (однотрубных) манометров, вакуумметров и микроманометров, заполненных водой, ртутью или какой-либо другой жидкостью. О разрежении или давлении судят по разности уровней жидкости в трубах.

Такие манометры применяются для измерения избыточного давления воздуха и газов до 7 кПа, и 0,1 МПа, а тягомеры для измерения разрежения до 0,101 МПа.

Измерение расхода

Объём проходящих газов или жидкости обычно измеряют при помощи диафрагмы – металлического диска с отверстием посредине. Диафрагма закрепляется между двумя фланцами трубопровода. Отверстие диафрагмы меньше диаметра трубопровода, поэтому при прохождении газа (жидкости) создаётся сопротивление, которое тем больше, чем выше скорость газа (жидкости) в трубопроводе.

Коррозионная стойкость материалов для основного и вспомогательного оборудования

Рациональный выбор материалов для изготовления аппаратуры имеет большое практическое значение и в значительной степени определяет экономические показатели химического производства. Материал должен быть прежде всего достаточно стойким к воздействию аммиака

Коррозионная активность аммиака по отношению к материалам зависит главным образом от её концентрации, температуры и наличия примесей.

При выборе материалов для изготовления химической аппаратуры учитывается не только их стойкость к коррозии, но и прочность, устойчивость при высокой температуре, возможность обработки и сварки материала, его доступность и стоимость. Если чёрные металлы достаточно стойки к коррозии в условиях работы данного аппарата или технологического узла, то эти материалы используются в первую очередь, так как они весьма прочны, доступны и достаточно дёшевы. Часто применяются также легированные чёрные металлы (содержащие легирующие добавки) или специальные сплавы, обладающие повышенной коррозийной стойкостью. Однако специальные сплавы обычно дороги и в условиях, часто используют неметаллические химически стойкие материалы.

В аммиачной промышленности неметаллические материалы применяются особенно широко, так как многие из них весьма стойки к действию аммиака в широком диапазоне её концентраций и температур.

Почти все важнейшие аппараты в производстве аммиака изготовляют из стали и чугуна, в большинстве случаев изнутри их футеруют или покрывают кислостойкими материалами- керамикой, природными кислотоупорами, каменным литьём, кислотоупорным бетоном, органическими кислотостойкими покрытиями.  , содержащие хром, молибден, никель и другие добавки. .