СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА И ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК C01C1/04 

Данное изобретение относится к способу производства аммиака из углеводородного сырья с усовершенствованной тепловой интеграцией, при которой углеводородное сырье первоначально с помощью парореформинга преобразуют в синтез-газ, а затем синтез-газ преобразуют в аммиак. Изобретение также относится к новому пароперегревателю, пригодному в частности для применения на больших аммиачных предприятиях с производительностью, по меньшей мере, от 2000 т/сутки (MTPD).

Традиционные предприятия по производству аммиака обычно разделены на два основных участка: участок реформинга, в котором углеводородное сырье, такое как природный газ, преобразуют в синтез-газ, содержащий смесь углерода и азота под давлением в диапазоне от 30 до 80 бар, часто 30-40 бар, и участок синтеза аммиака, в котором синтез-газ (синтез-газ для производства аммиака), с правильной пропорцией водорода и азота и, после сжатия до 120-200 бар, преобразуют каталитически в аммиак, который затем конденсируют с помощью охлаждения.

На участке реформинга, при применении традиционных технологических схем с первичными, автотермальными, или вторичными печами реформинга, содержащий водород синтез-газ производят при высоких температурах, например, при 1000°С или выше. Произведенный в упомянутых печах реформинга синтез-газ должен быть охлажден, и это обычно осуществляют пропусканием газа через ряд паровых котлов-утилизаторов и пароперегревателей. Данные установки являются дорогостоящими и очень сложными теплообменниками, которые должны быть тщательно просчитаны для минимизации рисков, относящихся к отказам механики и материалов, связанных с металлическим пылением, водородной коррозией и коррозией под напряжением. В частности пароперегреватели на участке реформинга являются дорогостоящими установками, в которых, несмотря на тщательность их конструктивной проработки, трудно предотвратить металлическое пыление. При применении на участке реформинга перегревателей металлическое пыление практически неустранимо.

На участке синтеза аммиак производят каталитически из смеси содержащихся в синтез-газе водорода и азота. Преобразование в аммиак происходит при производстве тепла, которое утилизируют в паровых котлах-утилизаторах и, дополнительно, в пароперегревателях, для производства пара высокого давления, который затем используют для приводных компрессоров на участке синтеза аммиака. Паровые котлы-утилизаторы и пароперегреватели на участке синтеза аммиака являются также дорогостоящими и очень сложными теплообменниками, которые тщательно просчитаны для минимизации рисков, относящихся к отказам механики и материалов, связанных с водородной, нитридной коррозией и коррозией под напряжением. Паровые котлы-утилизаторы в частности подвержены нитридной коррозии, так как данные установки обычно установлены после аммиачного конвертера.

Металлическое пыление, коррозия под напряжением и нитридная коррозия являются катастрофическими, или, по меньшей мере, серьезными видами коррозии, которые должны быть исключены соответствующим расчетом и выбором материала. Металлическое пыление обычно имеет место при наличии моноксида углерода в газе, который находится в контакте с металлом, и когда температура металла настолько низкая, обычно от 400°С до 800°С, в частности от 500°С до 750°С, что взаимодействие с газом приводит к распаду металла на мелкие частицы.

Азотирование металла происходит, когда азот из газа, находящегося в контакте с металлом, диффундирует в материал металла и образует нитриды. Образуется твердый поверхностный слой, который легко растрескивается и в худших вариантах трещины продолжаются внутри металла. Таким образом, материалы, подвергшиеся азотированию, становятся более предрасположенными к крошению. Толщина нитридного слоя зависит от температуры, времени и металлического сплава. В общем, известно, что температуры металла выше примерно 380°С для тонких металлических листов и выше примерно 400°С для толстых металлических листов из низколегированной углеродистой стали существенно повышают предрасположенность металла к азотированию. При более высоких температурах необходимы такие материалы, как нержавеющая сталь или инконель (Inconel).

Стрессовая коррозия представляет риск, когда аустенитные материалы, такие как нержавеющая сталь, входят в контакт с водой, в частности, когда вода содержит примеси, например, хлор. При применении низколегированной стали риск стрессовой коррозии намного ниже.

Поскольку мощность предприятий по производству аммиака неуклонно растет за счет предприятий, рассчитанных на производственную мощность до 2000, 3000, 5000 т аммиака/сутки, или даже больше, то разработка пароперегревателей все большей и большей мощности стала сложной задачей. На таких больших предприятиях по производству аммиака проблемой является размер пароперегревателей, поскольку по стандартному расчету диаметр и толщина трубных плит перегревателей становятся настолько большими, что их изготовление технически или экономически является нецелесообразным.

Данная тенденция по строительству более мощных предприятий приводит к необходимости обеспечения приводных компрессоров предприятия паром. Это требует более высоких давлений для пара и, тем самым, более высоких его температур. В результате, чтобы справиться с более высокими температурами, для пароперегревателей должны быть применены дорогостоящие материалы, например, нержавеющая сталь или инконель.

В патенте США № 4,213,954 описан способ производства аммиака, содержащий участок реформинга и участок синтеза аммиака. Оба участка совместно используют обычный паровой барабан, который служит в качестве сепаратора пара для паровых котлов-утилизаторов на участке реформинга и синтеза аммиака предприятия. Вырабатываемый таким образом на участке реформинга пар применяют на участке синтеза аммиака, в то время как технологический газ из вторичной печи реформинга охлаждают пропусканием через систему не только паровых котлов-утилизаторов, но также перегревателя. Для утилизации энергии пар также используют в детандерах.

В патенте США № 4,545,976 описан способ производства аммиачного синтез-газа путем реформинга углеводорода с отводом редуцированного пара, при этом технологический газ из печи вторичного реформинга охлаждают, применяя ряд пароперегревателей.

Наша европейская заявка ЕР-А-1,610,081 раскрывает теплообменник для применения непосредственно вслед за стадией реформинга. Теплообменник содержит первую, более холодную, зону нагрева, включающую в себя пучок труб из низколегированной стали, и вторую, более горячую, зону нагрева, содержащую пучок труб, изготовленный из термостойкого и антикоррозионного сплава, например, аустенитного сплава "никель/хром/железо". Пар пропускают по внутритрубному пространству теплообменника, а преобразованный газ (синтез-газ) по межтрубному пространству. Более холодная и более горячая зоны нагрева соединены последовательно относительно как течения пара, так и течения преобразованного газа.

Задачей изобретения является создание способа производства аммиака с усовершенствованной тепловой интеграцией и сниженной предрасположенностью к металлическому пылению, азотированию и стрессовой коррозии в паровых котлах-утилизаторах и, в частности, в пароперегревателях предприятия.

Другой задачей изобретения является создание способа производства аммиака с усовершенствованной тепловой интеграцией, с отводом редуцированного пара, и который значительно рентабельней известных способов.

Следующей задачей изобретения является создание способа, который был бы надежен и менее чувствителен к остановкам предприятия на участке аммиака.

Еще одной задачей изобретения является разработка пароперегревателя, пригодного к применению на больших аммиачных предприятиях, который одновременно противостоит коррозии, в частности азотированию и стрессовой коррозии.

Эти и другие задачи решены посредством данного изобретения.

В качестве первого объекта мы предлагаем способ производства аммиака из углеводородного сырья, содержащий следующие этапы:

(a) пропускание углеводородного сырья через участок реформинга и отведение синтез-газа из упомянутого участка реформинга;

(b) пропускание упомянутого синтез-газа через один или более паровых котлов-утилизаторов, без применения пароперегревателя, в которых синтез-газ находится в косвенном теплообмене с пароводяной смесью, отведение пара из упомянутых котлов-утилизаторов и направление упомянутого пара в один или более паровых барабанов;

(c) пропускание охлажденного таким образом на этапе (b) синтез-газа через стадию преобразования, для превращения моноксида углерода в синтез-газе в водород, и затем через процесс флотации, для удаления остающихся в синтез-газе диоксида углерода, моноксида углерода и метана, и извлечение синтез-газа, содержащего азот и водород;

(d) пропускание полученного на этапе (с) синтез-газа через участок синтеза аммиака, который включает в себя каталитическое преобразование синтез-газа в аммиак пропусканием через один или более каталитических слоев в аммиачном конвертере и извлечение технологического газа, содержащего аммиак, из одного или более каталитических слоев;

(e) пропускание упомянутого технологического газа, содержащего аммиак, через один или более пароперегревателей, в которых перегревают пар из одного или более паровых барабанов, этапа (b), и извлечение потока перегретого пара из упомянутого одного или более пароперегревателей;

(f) пропускание охлажденного таким образом на этапе (е) технологического газа через один или более паровых котлов-утилизаторов, в которых технологический, газ находится в косвенном теплообмене с пароводяной смесью, извлечение пара из упомянутого одного или более паровых котлов-утилизаторов и проведение упомянутого пара в один или более паровых барабанов этапа (b).

В результате, весь вырабатываемый в паровых котлах-утилизаторах пар на этапе (b) и этапе (f) перегревают в одном или более перегревателях на этапе (е). Таким образом, насколько возможно, охлаждение проводят на участке синтеза аммиака.

Нами установлено, что путем объединения одного или более перегревателей за аммиачным конвертером, которые предназначены для охлаждения содержащего аммиак технологического газа и для перегрева всего вырабатываемого в паровом котле-утилизаторе участка реформинга пара, можно обеспечить более простую и менее дорогостоящую конструкцию иным способом востребованных на участке реформинга паровых котлов-утилизаторов, а также паровых котлов-утилизаторов и в частности перегревателя(ей) на участке синтеза аммиака предприятия. Соответственно изобретение обладает существенным преимуществом в том, что для нагревания синтез-газа нет необходимости в пароперегревателе (нагревания технологического газа пароперегревателем), или попросту, в пароперегревателях на участке реформинга предприятия для охлаждения выработанного синтез-газа.

Охлаждающую способность, по существу, переносят с участка реформинга предприятия на участок синтеза аммиака. Таким образом, полностью устранен риск металлического пыления, который при применении пароперегревателей на участке реформинга практически неустраним.

Дополнительно, поскольку охлаждение, насколько это возможно, проводят на участке синтеза аммиака, то процесс охлаждения технологического газа можно перевести из аммиачного конвертера в пароперегреватель, предпочтительно в теплообменник в виде U-образной трубы, при температуре ниже примерно 380°С, при этом устраняется азотирование установленного далее парового котла(ов)-утилизатора(ов). Как отмечалось выше, температуры металла выше примерно 380°С существенно повышают предрасположенность к азотированию. При этом паровой котел(котлы)-утилизатор(ы) на участке синтеза аммиака, теперь охлаждающий технологический газ, может в таком случае быть сконструирован соответственно в виде U-образного трубчатого теплообменника, например, из легированной стали, тем самым устраняя также проблемы, связанные с коррозией под напряжением, требующей в противном случае аустенитных материалов. Таким образом, при конструировании, в иных случаях очень дорогих паровых котлов-утилизаторов и пароперегревателей, могут быть применены более дешевые материалы.

Существенным преимуществом изобретения является то, что предприятие, имеющее участок реформинга и синтеза аммиака, становится более устойчивым к ситуациям аварийного отключения, при которых, например, производство аммиака на участке синтеза аммиака останавливается, в то время как участок реформинга продолжает работу. При традиционных технологических схемах, когда имеют место такие производственные остановки на участке синтеза аммиака, под их влиянием сразу же оказывается выработка пара на участке реформинга. Для компенсации данного воздействия обычно значительно завышают размер парового котла-утилизатора по охлаждению синтез-газа за печью вторичного реформинга. С помощью способа по данному изобретению можно уменьшить такое воздействие на выработку пара на участке реформинга. Теперь, в случае аварийного отключения предприятия на участке синтеза аммиака, можно сбалансировать выработку пара на участке реформинга и, в результате, отпадает необходимость значительного увеличения размера парового котла(ов)-утилизатора(ов) на данном участке за печью вторичного реформинга. Тем самым могут быть применены меньшие и более дешевые паровые котлы-утилизаторы.

Участок реформинга может включать в себя реформинг углеводородного сырья на одной, или более ступенях, как это принято в известном опыте. Следовательно, исходное углеводородное сырье может быть подвергнуто, например, этапу предварительного реформинга перед первичным и вторичным реформингом, или исходное углеводородное сырье, например, природный газ, может быть подано непосредственно на ступень автотермического реформинга для выработки горячего синтез-газа. Синтез-газ извлекают из автотермической стадии или стадии вторичного реформинга при температурах выше 1000°С перед его охлаждением при производстве пара высокого давления в одном, или более паровых котлах-утилизаторах.

Используемый здесь термин "синтез-газ", содержащий азот и водород, означает синтез-газ для производства аммиака, т.е. синтез-газ, имеющий правильные пропорции водорода и азота, используемый в качестве исходного сырья для аммиачного конвертера.

Используемые здесь термины "вторичный реформинг" и "автотермальный реформинг" равнозначны, поскольку вторичный реформинг обычно осуществляют в автотермальной печи реформинга (ATR). Однако, строго говоря, термин "автотермальный реформинг" имеет соответствующий смысл только при отсутствии первичного реформинга.

Используемый здесь термин "первичный реформинг" означает реформинг углеводородного сырья в обыкновенной пламенной трубчатой печи реформинга (пламенная печь).

Понятно также, что согласно изобретению технологический газ, покидающий каталитический аммиачный конвертер, проходит сначала через пароперегреватель(ли) и далее через паровой котел(котлы)-утилизатор(ы). Весь пар, вырабатываемый в паровом котле(ах)-утилизаторе(ах) участка реформинга, а также пар, вырабатываемый в паровом котле(ах)- утилизаторе(ах) участка синтеза аммиака, проводят в первый пароперегреватель, установленный за каталитическим аммиачным конвертером. По меньшей мере, часть пара из упомянутого пароперегревателя может быть также использована в качестве технологического пара на участке реформинга предприятия, предпочтительно в качестве технологического пара на участке паровых котлов-утилизаторов первичной стадии реформинга.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения этап (а), включающий в себя пропускание углеводородного сырья через участок реформинга и извлечение синтез-газа из упомянутого участка реформинга, содержит стадии: пропускания углеводородного сырья через ступень первичного реформинга для получения частично преобразованного газа, пропускания упомянутого частично преобразованного газа через ступень теплообменного реформинга и ступень вторичного реформинга, и извлечения конечного потока синтез-газа из упомянутой стадии теплообменного реформинга, причем частично преобразованный газ, пропускаемый через ступень теплообменного реформинга, преобразуют путем косвенного теплообмена с синтез-газом, извлеченным из упомянутой стадии вторичного реформинга.

Теплообменный реформинг допускает применение тепла из стадии первичного и вторичного реформинга для дополнительного реформинга газа, вместо простого применения тепла для производства пара. Таким образом, можно также значительно снизить производство пара и фактически до количества, которое почти полностью соответствует потребностям участка синтеза аммиака. В результате устраняется нецелесообразный отвод пара.

Как отмечалось выше, обычно принято считать, что риск металлического пыления наиболее высокий при температуре металла в диапазоне от 400°С до 800°С, особенно от 500°С до 750°С. Таким образом, поток синтез-газа, извлеченный из участка реформинга, в частности поток синтез-газа, извлеченного из упомянутой стадии теплообменного реформинга, имеет температуру предпочтительно примерно 800°С, или выше, которая является достаточно высокой для снижения риска металлического пыления в самом теплообменнике, а также для предотвращения металлического пыления в размещенных далее паровых котлах-утилизаторах.

Теплообменный реформинг проводят предпочтительно в одном, или более теплообменных реакторах, содержащих двойные трубы. Двойная труба представляет собой по существу устройство из двух концентрических труб. Пространство между стенками труб образует кольцевую полость, через которую может протекать горячая расширяющаяся среда (синтез-газ, извлеченный из упомянутой стадии вторичного реформинга). Твердый катализатор, в виде слоя, может быть размещен снаружи и/или внутри двойных труб.

Соответственно в другом варианте осуществления изобретение предусматривает обработку смешанного газа внутри одного, или более теплообменных реакторов, имеющих множество двойных труб, и которые применяют для проведения упомянутой стадии теплообменного реформинга путем смешивания, предпочтительно в нижней части одного, или более теплообменных реакторов, синтез-газа, извлеченного из упомянутой стадии вторичного реформинга, с преобразованным газом, выходящим из каталитического слоя, размещенного, по меньшей мере, снаружи двойных труб одного, или более теплообменных реакторов, и пропускание упомянутого смешанного газа через межтрубное пространство упомянутых двойных труб, для косвенного нагревания упомянутого каталитического слоя. Конечный поток синтез-газа затем извлекают и пропускают через один, или более паровых котлов-утилизаторов, установленных далее на участке реформинга.

Частицы твердого катализатора каталитического слоя одного, или более теплообменных реакторов предпочтительно размещают не только снаружи двойных труб, но также внутри, т.е., также во внутренних трубах двойных труб.

Еще в одном варианте осуществления ступень теплообменного реформинга проводят в реакторе байонетного типа. В частности, в варианте осуществления байонетного, трубчатого типа, реактора, по меньшей мере, одна труба в данной печи реформинга выполнена снаружи внутренней трубы, наружная труба снабжена впуском для введения технологического газа, предназначенного для преобразования, и закрытым выпуском, внутренняя труба открыта на обоих концах и установлена соосно внутри наружной трубы и разнесена с ней, кольцевое пространство между наружной и внутренней трубой заполнено катализатором для реформинга, внутренняя труба выполнена для извлечения вытекающего потока преобразованного газа, причем наружная труба дополнительно концентрически окружена разнесенным с ней трубопроводом и выполненным при этом для пропускания потока горячего синтез-газа из вторичного преобразователя, находящегося в тепловой связи с технологическим газом, предназначенным для преобразования (вступающего в реакцию сырья), в наружную трубу, путем проведения синтез-газа из печи вторичного реформинга в пространство между трубопроводом и наружной трубой. Конкретный вариант осуществления данного реактора байонетного типа раскрыт, например, в нашей заявке ЕР-А-0 535 505.

В другом варианте осуществления изобретения углеводородное сырье, предназначенное для преобразования на этапе (а), пропускают параллельно в одну, или более ступеней теплообменного реформинга и ступень автотермического или вторичного реформинга, а извлеченный из упомянутой стадии автотермического или вторичного реформинга синтез-газ применяют в качестве теплообменной среды на упомянутой одной, или более ступенях теплообменного реформинга, как описано в нашем патенте США № 6,726,851.

В качестве другого объекта изобретения мы предлагаем пароперегреватель для применения в способе, в частности пароперегреватель для применения согласно этапу (е) способа, т.е., после каталитического аммиачного конвертера.

Соответственно изобретение включает в себя также пароперегреватель 30, содержащий:

первое и второе отделение 301, 302, причем первое отделение 301 снабжено оболочкой 305, трубной плитой 303, задней стенкой 307, пучком труб 309, отражательными перегородками 317 и паровпуском 315, выполненным на оболочке 305, и при этом второе отделение 302 снабжено оболочкой 306, трубной плитой 304, задней стенкой 308, пучком труб 310, отражательными перегородками 317 и пароотводом 316, выполненным на оболочке 306;

переходное отделение 311, которое отделяет первое и второе отделение, и которое образовано пространством между трубными плитами 303,304;

сточную трубу 312, проходящую через трубные плиты 303, 304 и, следовательно, через переходное отделение 311, которая продолжается из первого отделения 301 во второе отделение 302 по оси 320 длины пароперегревателя 30;

разделяющую стенку 321, расположенную между впускной камерой 318 и выпускной камерой 319;

упомянутое переходное отделение 311 снабжено впуском 313 технологического газа, который входит во впускную камеру 318 переходного отделения, причем впускная камера 318 образована между стенкой сточной трубы 312, стенкой трубной плиты 303 с одной стороны, и в которой продолжается пучок труб 309 первого отделения 301, и стенкой трубной плиты 304 с противоположной стороны, и в которой продолжается пучок труб 310 второго отделения 302;

упомянутое переходное отделение 311 снабжено выпуском 314 технологического газа, который выходит из выпускной камеры 319 переходного отделения, причем выпускная камера 319 образована между стенкой сточной трубы 312, стенкой трубной плиты 303 с одной стороны, и в которой продолжается пучок труб 309 первого отделения 301, и стенкой трубной плиты 304 с противоположной стороны, в которой продолжается пучок труб 310 второго отделения 302;

и при этом первое и второе отделения 301, 302 соединены последовательно относительно течения пара и параллельно относительно течения технологического газа.

Пар пропускают по межтрубному пространству перегревателя, в то время как технологический газ из аммиачного конвертера пропускают по внутритрубному пространству.

Впуск 313 технологического газа и выпуск 314 технологического газа переходного отделения 313 предпочтительно расположены диаметрально противоположно друг другу на оболочке 305, 306 пароперегревателя, и еще предпочтительнее, когда упомянутые впуск и выпуск 313, 314 расположены диаметрально противоположно друг другу и в том же самом месте по оси 320 длины пароперегревателя.

Разделяющая стенка 321, расположенная между впускной камерой 318 и выпускной камерой 319, продолжается предпочтительно вдоль и по всему направлению длины канализационной трубы 312. Данная стенка служит для недопущения непосредственного пропуска технологического газа из впускной камеры 318 в выпускную камеру 319. Пучок труб в каждом отделении пароперегревателя предпочтительно представлен U-образным пучком труб.

Пучок труб продолжается в каждой трубной плите и, тем самым, закреплен в ней. Понятно, что трубы проникают через трубчатые плиты. Таким образом, трубы находятся в жидкостном сообщении с впускной камерой переходного отделения, которая принимает входящий горячий технологический газ из аммиачного конвертера, или с выпускной камерой переходного отделения, из которой извлекают охлажденный технологический газ.

В конкретном варианте осуществления выпускная камера 319 дополнительно содержит клапаны 322, 323, установленные внутри, и которые находятся в жидкостном сообщении с пучками труб 309, 310 первого и второго отделения 301, 302. Клапаны предпочтительно представлены дроссельными клапанами. Обеспечение клапанов в выпускной камере способствует подаче в первое (холодное) и второе (горячее) отделение пароперегревателя правильных пропорций технологического газа из аммиачного конвертера, и, тем самым, можно с помощью простого средства регулировать температуру выходящего из пароотвода 316. Предпочтительно 40% по весу технологического газа пропускают через первое отделение и 60% по весу по второму отделению. Путем регулирования выпускной температуры пара в пароперегревателе, которая может быть около 375°С, можно также регулировать конечную температуру перегрева данного пара после его пропускания через участок паровых котлов-утилизаторов печи первичного реформинга, где его дополнительно нагревают до конечной температуры перегрева, например, 515°С. Данная конечная температура пара на практике является температурой, которую необходимо регулировать, и такое регулирование теперь осуществимо простым регулированием температуры выходящего из пароотвода 316 пароперегревателя. Исключаются нежелательные альтернативы регулирования данной конечной температуры перегрева, такие как добавление подпиточной воды для котла (BFW) с целью резкого охлаждения пара при его пропускании через участок котлов-утилизаторов тепла печи первичного реформинга.

Способ по изобретению способствует тому, что насыщенный пар вводят в первое отделение перегревателя при сравнительно низкой температуре (323°С). Такой пар будет включать в себя некоторый переброс из парового барабана в виде капель воды. Это может привести к стрессовой коррозии внутренних металлических частей перегревателя, если они изготовлены из аустенитного материала, например, нержавеющей стали. Однако, внутренние металлические части пароперегревателя по данному изобретению, главным образом, пучок труб в первом отделении, предпочтительно изготовлены из низколегированной стали. Поскольку первое (холодное) отделение может поддерживаться при температуре ниже 380°С, благодаря холодному входящему пару (323°С), можно применять низколегированную сталь, например, низколегированную углеродистую сталь, и без риска проявлений азотирования. Внутренние металлические части во втором (горячем) отделении, главным образом, пучок труб, изготовлены из нержавеющей стали, из-за риска азотирования, когда температура не может быть ниже 380°С по всему данному отделению. Риск стрессовой коррозии в данном отделении больше не актуален, поскольку капли воды, переброшенные с входящим паром, испаряются при его пропускании в первое отделение и, следовательно, пар сухой.

Поэтому, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, пучок труб в первом отделении изготовлен из низколегированной стали, например, ферритного чугуна, хромистой, молибденовой и углеродистой стали, а пучок труб во втором отделении изготовлен из нержавеющей стали. Низколегированная сталь предпочтительно представлена низколегированной углеродистой сталью.

Наряду с решением проблем коррозии перегреватель согласно изобретению является, в частности, предпочтительным для больших предприятий по производству аммиака, где размер перегревателей по стандартному проекту становится настолько большим, что его просто невозможно изготовить. С помощью перегревателя согласно данному изобретению поток технологического газа из аммиачного конвертера разделяют между первым и вторым отделением. Другими словами, каждая трубная плита пропускает только часть потока технологического газа, и в то же самое время трубные плиты поддерживаются сточной трубой, которая продолжается из одного отделения в другое по оси длины перегревателя. Это приводит к значительному снижению толщины трубных плит по сравнению с ситуацией при традиционной одиночной трубной плите. Тем самым изобретение обеспечивает также более простую и более дешевую конструкцию. Перегреватель может быть изготовлен практически в любом специализированном цехе.

Используемый здесь термин "большие аммиачные предприятия" характеризует предприятия по производству аммиака с мощностью, равной, или более 2000 т/сутки, например, 3000, 5000 т/сутки, или еще больше.

Для удобства ориентация перегревателей обычно горизонтальная, поскольку тяжелые трубные плиты и главные участки обычно расположены около задних стенок перегревателя. Однако данная горизонтальная ориентация может привнести проблемы коррозии, в частности в металлических частях, установленных в срединном участке перегревателя. В частности при запуске, когда металлические части пароперегревателя еще не нагреты, на них могут накапливаться и конденсироваться капли воды, содержащие примеси, например, хлор.

Поскольку такие металлические части часто не изготовлены из устойчивых к коррозии материалов, то при этом могут возникнуть серьезные проблемы с коррозией.

С помощью изобретения можно дополнительно предотвратить данные проблемы коррозии простой установкой перегревателя в вертикальное положение. Такое положение проще обеспечить с перегревателем по данному изобретению, так как тяжелые металлические части, которые включают в себя в основном трубные плиты, установлены около средней части установки. Потенциальные капли воды, содержащие примеси, накапливаются и собираются в нижней части перегревателя в первом или втором отделении. Поэтому накомпленную воду просто извлечь через установленный здесь водоотвод.

Поэтому в еще одном варианте осуществления изобретения ориентация пароперегревателя вертикальная, и первое или второе отделение дополнительно имеет у своей задней стенки водовыпуск для удаления накопившейся воды. При данной вертикальной ориентации нижним участком пароперегревателя предпочтительно является второе (горячее) отделение.

Фиг.1 представляет собой блок-схему конкретного варианта осуществления способа на предприятии синтеза аммиака, показывающую участок I реформинга, состоящий из установки теплообменного реформинга и установки вторичного реформинга, и второй участок II синтеза аммиака.

Фиг.2 представляет схему перегревателя согласно изобретению для применения на участке синтеза аммиака предприятия.

На фиг.1 углеводородное сырье 1, например, природный газ, пропускают через ступень первичного реформинга с добавлением пара в печь 20 первичного реформинга. Частично преобразованный газ 2 извлекают из печи первичного реформинга 20 и разделяют на отдельные потоки 3 и 4. Поток 3 проводят в верхнюю часть печи теплообменного реформинга 21, имеющую двойные трубы с помещенными в них частицами катализатора, расположенными снаружи и внутри двойных труб, в то время как отдельный поток 4 пропускают через печь 22 вторичного реформинга. В нижней части печи теплообменного реформинга 21 вытекающий из печи вторичного реформинга горячий газ смешивают с преобразованным в печи теплообменного реформинга технологическим газом, который выходит из каталитических слоев в нижней части печи реформинга. Смешанный газ применяют для косвенного нагревания помещенных в ней каталитических слоев, обеспечивая подъем упомянутого смешанного газа вверх в печь реформинга. Смешанный газ, проходя через печь теплообменного реформинга, охлаждается и выходит в виде потока 5 синтез-газа. Поток 5 далее охлаждают в паровом котле-утилизаторе 23, причем с подачей подпиточной воды 6, и при этом синтез-газ находится в косвенном теплообмене с потоком. На данном участке пароперегреватель не применяют.Пароводяную смесь из парового котла-утилизатора 23 проводят в паровой барабан 24. Охлажденный поток синтез-газа обогащают водородом на участке 25 конверсии водяного пара и затем пропускают через промывную секцию 26 для удаления остающихся в синтез-газе моноксида углерода, диоксида углерода и метана. Таким образом, создают поток 8 синтез-газа для производства аммиака, содержащего правильные пропорции водорода и азота, и проводят в каталитический аммиачный конвертер 27 участка синтеза аммиака предприятия, содержащий множество слоев 28 для катализа аммиака. Содержащий аммиак 9 технологический газ при температуре 460°С извлекают из каталитического конвертера и охлаждают пропусканием через систему пароперегревателя 30 и парового котла-утилизатора 29. После пароперегревателя 30 технологический газ охлаждают примерно до 380°С. Произведенный перегретый пар 10 выходит при температуре около 375°С и может быть применен для приводных компрессоров на предприятии, в то время как пар 11 из парового котла-утилизатора 29 проводят в паровой барабан 24. Подпиточную воду для котла (BFW) добавляют в виде потока 12, в то время как поток 13 из парового барабана 24 используют для производства пара в паровом котле-утилизаторе 29. Весь пар, который производят в паровом котле-утилизаторе 23 участка реформинга и паровом котле-утилизаторе 29 участка синтеза аммиака, с помощью потока 14 в виде пара высокого давления с точкой кипения 323°С перегревают в пароперегревателе 30 участка синтеза аммиака. Охлажденный технологический газ, содержащий аммиак, извлекают в виде потока 15.

Теперь обратимся к фиг.2, на которой представлена схема перегревателя 30 по фиг.1. Перегреватель содержит первое (холодное) отделение 301 и второе (горячее) отделение 302, две трубные плиты 303, 304, две оболочки 305, 306 с соответствующими задними стенками 307, 308, два U-образных пучка труб 309, 310, а также переходное отделение 311 и канализационную трубу 312. Данная канализационная труба продолжается в центре пароперегревателя из первого отделения 301 во второе отделение 302 по оси 320 длины перегревателя. Перегреватель включает в себя также впуск 313 технологического газа и выпуск 314 технологического газа, выполненные как часть переходного отделения 311, а также паровпуск 315, выполненный на оболочке 305 первого отделения 301, и пароотвод 316, выполненный на оболочке 306 второго отделения 302. В первом и втором отделениях расположены отражательные перегородки 317 для отражения потока пара и, тем самым, повышения теплоотдачи. Отражатели обеспечивают также опору для пучков труб. Переходное отделение 311 включает в себя впускную камеру

318 в непосредственном продолжении к впуску 313 технологического газа и в связи посредством текучей среды с пучком труб 309, 310, продолжающимся в трубных плитах 303, 304. Переходное отделение 311 включает в себя также выпускную камеру 319, которая продолжается непосредственно в выпуск 314 технологического газа; выпускная камера 319 также находится в связи посредством жидкостного сообщения с пучком труб 309, 310, продолжающимся в трубных плитах 303, 304. Разделяющая стенка 321, продолжающаяся вдоль участка канализационной трубы 312, разделяет впускную и выпускную камеры 318, 319. Таким образом, первое и второе отделения соединены последовательно относительно течения пара и параллельно относительно течения технологического газа. Дроссельные клапаны 322 и 323, размещенные в выпускной камере 319, служат для управления количеством пропускаемого через первое (холодное) и второе (горячее) отделение технологического газа, и, при этом, также температурой выпуска пара в пароотводе 316.

Способ по изобретению дает возможность другими словами обеспечить насыщенным паром перегреватель при относительно низкой температуре (323°С). Пар при данной температуре входит через паровпуск 315 около задней стенки первого (холодного) отделения, где далее течет по межтрубному пространству. Здесь пар перегревается до 345°С и проходит при этой температуре через сточную трубу 312 во второе (горячее) отделение перегревателя. Пар дополнительно перегревается и уходит через пароотвод 316 в виде перегретого пара при 375°С. Технологический газ из аммиачного конвертера входит при 460°С в перегреватель через впуск 313 технологического газа во впускную камеру 318 переходного отделения 311. Технологический газ разделяют и пропускают в первое и второе отделения через трубные плиты 303, 304 в U-образные пучки труб 309, 310. После пропускания через U-образные трубы технологический газ входит через трубные плиты 303, 304 в выпускную камеру 319 через дроссельные клапаны 322, 323. Технологический газ из первого отделения входит в выпускную камеру 319 при 373°С, в то время как технологический газ из второго отделения входит при 403°С. Смешанный газ в данной камере достигает температуры 380°С и уходит через выпуск 314 технологического газа для дополнительного охлаждения в расположенный далее паровой котел (котлы)-утилизатор(ы).

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Аммиак производят из синтез-газа, полученного в результате реформинга углеводородного сырья. Частично преобразованный газ после стадии первичного реформинга проходит через стадию теплообменного реформинга и стадию вторичного реформинга. Частично преобразованный газ на стадии теплообменного реформинга преобразуют путем косвенного теплообмена с синтез-газом, извлеченным из стадии вторичного реформинга. Весь пар, вырабатываемый в паровых котлах-утилизаторах реформинга и на участке производства аммиака предприятия, перегревают в одном или более пароперегревателей, расположенных за аммиачным конвертером участка производства аммиака предприятия. Изобретение позволяет усовершенствовать тепловую интеграцию процесса получения аммиака, а также снизить предрасположенность к металлическому пылению, азотированию и стрессовой коррозии в паровых котлах-утилизаторах и пароперегревателях предприятия. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ производства аммиака из углеводородного сырья, содержащий стадии:
(a) пропускание углеводородного сырья через участок реформинга и извлечение синтез-газа из упомянутого участка реформинга;
(b) пропускание упомянутого синтез-газа через один или более паровых котлов-утилизаторов без применения пароперегревателя, и в которых синтез-газ находится в косвенном теплообмене с пароводяной смесью, извлечение пара из упомянутых котлов-утилизаторов и проведение упомянутого пара в один или более паровых барабанов;
(c) пропускание охлажденного таким образом на стадии (b) синтез-газа через стадию преобразования для превращения моноксида углерода в синтез-газе в водород, и затем через процесс промывки, для удаления остающихся в синтез-газе диоксида углерода, моноксида углерода и метана, и извлечение синтез-газа, содержащего азот и водород;
(d) пропускание полученного на стадии (с) синтез-газа через участок синтеза аммиака, который включает в себя каталитическое преобразование синтез-газа в аммиак пропусканием через один или более каталитических слоев в аммиачном конвертере и извлечение технологического газа, содержащего аммиак, из одного или более каталитических слоев;
(e) пропускание упомянутого технологического газа, содержащего аммиак, через один или более пароперегревателей, в которых перегревают пар из одного или более паровых барабанов стадии (b), и извлечение потока перегретого пара из упомянутого одного или более пароперегревателей;
(f) пропускание охлажденного таким образом на стадии (е) технологического газа через один или более паровых котлов-утилизаторов, в которых технологический газ находится в косвенном теплообмене с пароводяной смесью, извлечение пара из упомянутого одного или более паровых котлов-утилизаторов и проведение упомянутого пара в один или более паровых барабанов стадии (b), отличающийся тем, что
стадия (а) включает в себя стадии: пропускания углеводородного сырья через ступень первичного реформинга для получения частично преобразованного газа, пропускания упомянутого частично преобразованного газа через стадию теплообменного реформинга и стадию вторичного реформинга, и извлечения конечного потока синтез-газа из упомянутой стадии теплообменного реформинга, причем частично преобразованный газ, пропускаемый через стадию теплообменного реформинга, преобразуют путем косвенного теплообмена с синтез-газом, извлеченным из упомянутой стадии вторичного реформинга.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя обработку смешанного газа в одном или более теплообменных реакторах, имеющих множество двойных труб, и которые применяют для проведения упомянутой стадии теплообменного реформинга путем смешивания синтез-газа, извлеченного на упомянутой стадии автотермального реформинга или стадии вторичного реформинга, с преобразованным газом, выходящим из каталитического слоя, размещенного, по меньшей мере, снаружи двойных труб одного или более теплообменных реакторов, и пропускание упомянутого смешанного газа через межтрубное пространство упомянутых двойных труб для косвенного нагревания упомянутого каталитического слоя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию теплообменного реформинга проводят в реакторе байонетного типа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородное сырье, предусмотренное к преобразованию на стадии (а), пропускают параллельно в одну или более стадий теплообменного реформинга и стадию автотермального или вторичного реформинга, и в котором горячий синтез-газ, извлеченный на упомянутой стадии автотермального или вторичного реформинга, применяют в качестве теплообменной среды на упомянутой одной или более стадиях теплообменного реформинга.

5. Пароперегреватель (30), содержащий:
первое и второе отделение (301, 302), причем первое отделение (301) снабжено оболочкой (305), трубной плитой (303), задней стенкой (307), трубчатым пучком (309), отражательными перегородками (317) и паровпуском (315), выполненным на оболочке (305), и при этом второе отделение (302) снабжено оболочкой (306), трубной плитой (304), задней стенкой (308), трубчатым пучком (310), отражательными перегородками (317) и пароотводом (316), выполненным на оболочке (306); переходное отделение (311), которое отделяет первое и второе отделение, и которое образовано пространством между трубными плитами (303, 304); сточную трубу (312), проходящую через трубные плиты (303, 304) и, следовательно, через переходное отделение (311), и которая продолжается из первого отделения (301) во второе отделение (302) по длине оси (320) длины пароперегревателя (30);
разделяющую стенку (321), расположенную между впускной камерой (318) и выпускной камерой (319);
упомянутое переходное отделение (311) снабжено впуском (313) технологического газа, который входит во впускную камеру (318) переходного отделения, причем впускная камера (318) образована между стенкой сточной трубы (312), стенкой трубной плиты (303) с одной стороны, и в которой продолжается трубчатый пучок (309) первого отделения (301), и стенкой трубной плиты (304) с противоположной стороны, и в которой продолжается трубчатый пучок (310) второго отделения (302);
упомянутое переходное отделение (311) снабжено выпуском (314) технологического газа, который выходит из выпускной камеры (319) переходного отделения, причем выпускная камера (319) образована между стенкой сточной трубы (312), стенкой трубной плиты (303) с одной стороны, и в которой продолжается трубчатый пучок (309) первого отделения (301), и стенкой трубной плиты (304) с противоположной стороны, в которой продолжается трубчатый пучок (310) второго отделения (302); и
при этом первое и второе отделения (301, 302) соединены последовательно относительно течения пара и параллельно относительно течения технологического газа.

6. Пароперегреватель по п.5, отличающийся тем, что выпускная камера (319) дополнительно содержит клапаны (322, 323), установленные внутри, и находящиеся в флюидном сообщении с пучками труб (309, 310) первого и второго отделения (301, 302).

7. Пароперегреватель по п.5, отличающийся тем, что пучок труб в первом отделении изготовлен из низколегированной стали, а пучок труб во втором отделении изготовлен из нержавеющей стали.

8. Пароперегреватель по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что принята вертикальная ориентация пароперегревателя, а первое и второе отделение дополнительно содержит у своей задней стенки выпуск для удаления скопившейся воды.

9. Пароперегреватель по п.5 для применения в способе по п.1.