СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АММИАКА Российский патент 2017 года по МПК C01C1/04 C01B3/02 

Область техники

Изобретение относится к области получения аммиака на основе риформинга углеводородов. В изобретении раскрывается способ повышения производительности имеющихся установок для получения аммиака.

Уровень техники

Для получения аммиака требуется синтез-газ, содержащий водород (Н₂) и азот (N₂) в подходящем соотношении 3:1. Синтез-газ, пригодный для получения аммиака, также называют "аммиачным синтез-газом".

Известно получение аммиачного синтез-газа путем риформинга углеводородного (УВ) сырья. Такое УВ сырье обычно представляет необработанный источник водорода и углерода, например метан, природный газ, нафта (первая широкая фракция дистилляции нефти), сжиженный попутный газ или газ нефтепереработки, или их смеси. Обычно сырьем бывает природный газ или метан.

В широко известной технологии, очищенные от серы углеводороды смешиваются с паром в нужном соотношении, и полученная смесь подается в первичный паровой риформер, в котором большая часть углеводородов в исходном материале конвертируется в смесь моноксида углерода, диоксида углерода и водорода, в процессе прохождения через соответствующий катализатор при умеренных давлениях, в пределах 15-35 бар, и высоких температурах, в интервале от 780 до 820°С.

Как известно, эта конверсия происходит с поглощением тепла. Катализатор находится во множестве каталитических труб, нагреваемых снаружи теплотой реакции горения газообразного топлива в воздухе. Давление снаружи трубок обычно близко к атмосферному.

Выходящий из первичного риформера газообразный продукт подается во вторичный риформер, обычно содержащий подходящий каталитический слой и лежащее над этим слоем реакционное пространство. Во вторичный риформер также поступает поток воздуха в нужном количестве для подведения азота, необходимого для происходящего далее синтеза аммиака. Этот воздух обычно подается воздушным компрессором, приводимым в действие паровой турбиной или электродвигателем; в качестве альтернативы, в некоторых установках используется воздухоразделительная установка для подачи во вторичный риформер обогащенного воздуха.

В реакционном пространстве над слоем катализатора происходит реакция кислорода с горючими компонентами газа, получаемого на выходе первичного риформера, после чего смешанный получаемый газ поступает при повышенной температуре в слой катализатора.

В процессе прохождения через катализатор, оставшийся метан реагирует с паром с поглощением тепла, в результате чего температура газа на выходе вторичного риформера обычно составляет примерно 1000°С, а свыше 99% подводимых углеводородов конвертировано в оксиды углерода и водород.

Конвертированный газ, выходящий из вторичного риформера, далее обычно подвергается обработке в последовательно расположенных далее по технологической цепи устройствах, для удаления оксидов углерода и получения газовой смеси, пригодной для синтеза аммиака (т.е. имеющей молярное отношение H₂/N₂, близкое к 3:1). Эти устройства включают по меньшей мере конвертеры "сдвига" (конвертеры СО), промывочную колонну СО₂ и реактор метанизации.

Конвертеры "сдвига" обычно содержат высокотемпературный конвертер СО, за которым следует низкотемпературный конвертер СО, в которых большая часть моноксида углерода (СО) конвертированного газа вместе с непрореагировавшим паром каталитически преобразуется в двуокись углерода и дополнительное количество водорода. В промывочной колонне СО₂ двуокись углерода удаляется мокрой очисткой газа соответствующим растворителем, например водным раствором амина или углекислого калия, с получением потока газа, содержащего азот и водород в молярном соотношении Н₂ к N₂ примерно 3:1, и остатками метана, оксидов углерода и азота. В реакторе метанизации, остаточные оксиды углерода каталитически преобразуются в метан, с целью предотвращения отравления находящегося далее по циклу обработки катализатора синтеза аммиака соединениями, содержащими кислород.

Затем при низком давлении, обычно 15-30 бар, получают синтез-газ для производства аммиака, который далее сжимается до давления контура (цикла) синтеза аммиака, составляющего, как правило, от 80 до 300 бар, обычно примерно 150 бар. Это сжатие выполняется главным компрессором синтез-газа.

Производительность установки для получения аммиака определяется количеством производимого аммиака, либо которое может быть произведено, и измеряется, например, в метрических тоннах в день (мт/д). Производительность соотносится с используемым углеводородным сырьем.

В процессе усовершенствования существующей установки для получения аммиака усилия направляются на повышение производительности от существующего уровня до значительно более высокого заданного уровня, при том же или эквивалентном сырье. Однако в существующих установках обычно обнаруживается ряд так называемых "узких мест". Узкие места представляют собой ограничения в существующей установке, не позволяющие достичь заданной производительности. Узким местом может быть, например, производительность какой-либо части установки, или машины, например компрессора. Узкие места сложной системы, однако, не очевидны. В существующих системах модернизация (доработка) выполняется в основном заменой отдельного существующего оборудования на новое, более мощное, и узкие места преодолеваются поочередно, по мере того, как они становятся очевидными. Другими словами, установка сначала модернизируется для устранения первого узкого места, затем вводится в эксплуатацию с увеличенной производительностью, пока не будет обнаружено новое узкое место.

В большинстве случаев, первичный риформер модернизируется установкой большего числа труб. Подача воздуха во вторичный риформер обычно увеличивается путем установки нового воздушного компрессора параллельно существующему, либо, в некоторых случаях, установкой бустер-компрессора после существующего воздушного компрессора. Такой подход, однако, зачастую требует больших затрат, чем это необходимо, и поэтому неэффективен и неприемлем. Поэтому сохраняется необходимость в поиске подходящего способа повышения производительности установки для получения аммиака.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ повышения производительности установки для получения аммиака, включающей головную секцию для получения подпиточного синтез-газа и секцию синтеза для конверсии этого подпиточного синтез-газа в аммиак. Секция синтеза включает по меньшей мере конвертер аммиака. Головная секция в основном включает: первичный риформер, содержащий группу трубок, заполненных катализатором; вторичный риформер, в который поступает поток, выходящий из первичного риформера, и поток окислителя; первый компрессор для подачи этого окислителя ко вторичному риформеру; ряд последовательно расположенных устройств для обработки потока, выходящего из вторичного риформера, включающих конвертер окисления СО (реакция сдвига), секцию удаления диоксида углерода и метанизатор; установка осушения синтез-газа; основной компрессор синтез-газа для повышения давления синтез-газа до давления секции синтеза, содержащий некоторое число статоров и роторов.

Способ модернизации (доработки/модификации) описанной установки включает по меньшей мере шаги, описанные в п. 1 приложенной формулы. Первый шаг состоит в повышении производительности секции риформинга. Под производительностью понимается расход потока водорода, который получают или который может быть получен от секции риформинга. Это повышение достигают одним или более из следующих действий:

- заменяют трубы первичного риформера новыми трубами с улучшенным конструкционным материалом, при этом новые трубы имеют тот же наружный диаметр и меньшую толщину, чем существующие, для увеличения внутреннего диаметра труб; и (или)

- устанавливают источник кислорода и устройство обогащения кислородом подводимого воздуха, направляемого во вторичный риформер, с подачей кислорода от этого источника.

Другие шаги, согласно изобретению, включают:

- модернизацию упомянутого первого компрессора путем установки новых частей статора и ротора так, чтобы модернизированный компрессорный агрегат обеспечивал создание большего расхода воздуха для вторичного риформера при прежнем давлении на выходе;

- модернизацию секции удаления СО₂;

- модернизацию компрессора синтез-газа посредством замены, по меньшей мере, роторов этого компрессора и сокращения числа ступеней;

- усовершенствование блока осушения синтез-газа;

- модернизацию контура синтеза аммиака.

Авторами было обнаружено, что описанным способом можно достичь значительного повышения производительности, например, по меньшей мере 40%, при относительно небольшом числе доработок. В частности, в настоящем изобретении предложен путь повышения эффективности в разных секциях установки без необходимости увеличения размера модернизируемого оборудования. В изобретении предлагается комбинация шагов, позволяющих существенно (более чем на 40%) повысить производительность установки.

Некоторые предпочтительные варианты выполнения описаны в зависимых пунктах формулы и будут рассмотрены ниже.

В некоторых случаях, имеющаяся секция удаления СО₂ оборудуется двумя абсорберами и двумя регенераторами. Таким образом, модернизация этой секции удаления СО₂, предпочтительно, предполагает, что эти два регенератора должны работать при различном давлении так, что первый генератор работает при первом давлении, а второй генератор работает при втором давлении. Более предпочтительно, чтобы для соединения этих двух регенераторов устанавливался струйный насос.

В других случаях, имеющаяся секция удаления СО₂ оборудуется только одним абсорбером и только одним регенератором. Таким образом, модернизация секции удаления СО₂, предпочтительно, включает установку одного или более дополнительных ребойлера (-ов) и конденсора (-ов) и внутреннее переоборудование этих абсорбера и регенератора. Согласно другому варианту, упомянутая секция удаления СО₂ с одним абсорбером и одним регенератором модифицируется посредством установки новой отпарной колонны низкого давления вместе с внутренним переоборудованием имеющихся абсорбера и регенератора.

В некоторых вариантах выполнения, блок осушения синтез-газа представляет собой устройство с молекулярным ситом, а усовершенствование этого блока осушения включает использование нового абсорбера с более высокой осушающей способностью, чем у имеющегося абсорбера блока, или установку блока аммиачной промывки, способного удалять кислородосодержащие соединения.

Шаг модернизации контура синтеза аммиака, предпочтительно, включает установку либо радиально-осевых, либо радиальных внутрикорпусных частей в имеющийся конвертер этого контура. В других вариантах выполнения, модернизация контура синтеза включает усовершенствование имеющегося конвертера аммиака с использованием любого из следующих технических решений: многослойного катализатора, радиальной или радиально-осевой конструкции, адиабатической или изотермической схем. Эти технические решения более подробно будут рассмотрены в приведенном ниже описании.

В соответствии с другими вариантами выполнения, модернизация контура синтеза аммиака включает использование дополнительного конвертера параллельно или последовательно с существующим. В том случае, если контур синтеза аммиака содержит блок регенерации водорода, модернизация контура синтеза аммиака может включать усовершенствование этого блока регенерации водорода.

Производительность вырабатывания водорода головной секцией может быть повышена любым из следующих способов: установкой предварительного риформера перед первичным риформером, либо удлинением радиационного теплообменника первичного риформера, либо использованием воздухоразделительной установки для получения с ее помощью кислорода для обогащения воздуха, подаваемого во вторичный риформер. В некоторых вариантах выполнения, также выполняют замену горелки вторичного риформера. Введение воздухоразделительной установки имеет также и то преимущество, что повышается выработка водорода без реконструкции воздушного компрессора, поскольку воздушный компрессор уже входит в состав воздухоразделительной установки.

В некоторых вариантах выполнения изобретения снижено отношение "пар/углерод" в головной секции, предпочтительно до величины в интервале 2,7-3,1.

Вспомогательные доработки, затрагивающие, например, теплообменники, сепараторы и другое оборудование, не упоминаются, поскольку имеют незначительное влияние на рост производительности установки для получения аммиака.

В соответствии с другими вариантами выполнения:

- также может выполняться модернизация секции конверсии СО;

- может быть использован водоохладитель, для обеспечения необходимого охлаждения установки для получения аммиака;

- могут быть реконструированы секции поглощения аммиака, либо установлены новые, для обеспечения требуемой охлаждающей способности установки для получения аммиака.

Далее более подробно рассмотрены признаки и преимущества изобретения, со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения и фигуру. Подробное описание осуществления изобретения

На фигуре представлен частный пример схемы установки для получения аммиака. Установка включает головную секцию, вырабатывающую подпиточный газ для контура (цикла) 6 синтеза аммиака. Главными элементами головной секции являются: секция риформинга, включающая первичный риформер 1 и вторичный риформер 2; один или более конвертеров 3 СО, промывочная колонна 4 СО₂ и реактор 5 метанизации (конвертер для преобразования оксидов углерода в метан).

Давление подпиточного синтез-газа 42 поднимается посредством главного компрессора 33 синтез-газа до высокого давления контура синтеза. Этот компрессор подает синтез-газ 31 высокого давления в контур 6 синтеза.

Циркуляция в контуре 6 обеспечивается другим компрессором (не показан), также называемым циркуляционным насосом.

Работа установки, более подробно, происходит следующим образом. В подогревателе 10 выполняется предварительный нагрев до примерно 500°С смеси 9 водяного пара 8 и подходящего углеводородного сырья 7, например природного газа, после чего подогретый газ 11 подвергается каталитической реакции в трубах первичного риформера 1.

Получаемый газ 13, выходящий из труб первичного риформера 1, далее подвергается окислению во вторичном риформере 2 посредством подводимого воздуха 14. Этот воздух подается соответствующим воздушным компрессором. Вторичный риформер 2 имеет реакционную зону 2b и расположенную под ней каталитическую зону 2а. В верхней реакционной зоне 2b газ 13 вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в подводимом воздухе 14. Для проведения реакции, вторичный риформер 2 имеет горелку.

Получаемый газ 17, выходящий из вторичного риформера 2, подвергается обработке в конвертерах 3 СО, промывочной колонне 4 углекислого газа и реакторе 5 метанизации, с промежуточным охлаждением газа в теплообменниках 16, 19 и 26, и подогревом в нагревателе 23, стоящим по движению потока после реактора 5 метанизации. Отделение жидкости производится в сепараторах 21, 28.

Прямоугольником 40 обозначено удаление воды, находящейся в синтез-газе. Сюда может входить блок осушения, представляющий собой либо блок с молекулярным ситом, селективно поглощающим воду, либо блок аммиачной промывки. Во многих существующих установках часть 40 отсутствует.

Контур 6 может также включать секцию регенерации водорода. Эта секция позволяет восстанавливать обогащенный водородом поток из продувочного газа, забираемого из самого контура. Этот обогащенный водородом поток, предпочтительно, повторно возвращается в контур на всасывающем конце циркуляционного насоса, для сведения к минимуму энергии, необходимой для сжатия.

Далее, со ссылкой на предпочтительный вариант выполнения, приводится более подробное описание предложенного в изобретении способа.

Производительность риформинга

Первый шаг изобретения состоит в повышении производительности первичного риформинга, т.е. выработки водорода в первичном риформере 1. Это достигается установкой новых труб с уменьшенной толщиной, при этом число каталитических труб остается неизменным. Новые трубы имеют в целом тот же диаметр, но меньшую толщину, и, вследствие этого, внутренний диаметр больше, чем у имеющихся труб. Предпочтительно, используются трубы с улучшенными металлургическими свойствами, например, вновь устанавливаемыми трубами являются трубы из микролегированных металлов, которые могут надежно работать при требуемых давлении и температуре, несмотря на уменьшенную толщину.

Такой подход отличается от обычной методики модернизации, согласно которой увеличивается число каталитических труб для обеспечения большей производительности. В настоящем изобретении повышается производительность каждой отдельной трубы за счет уменьшения ее толщины, с соответствующим увеличением расхода потока через нее.

Производительность первичного риформера желательно еще повысить посредством снижения соотношения "пар/углерод" (S/C - от англ. Steam/Carbon). Предпочтительно, соотношение "пар/углерод" снижено до величины 2,7÷3,1 (моль/моль). При снижении этого соотношения, большее количество природного газа подвергается паровому преобразованию в водород и оксиды углерода. Заявителем было установлено, что указанное снижение S/C дает выигрыш, несмотря на ухудшение баланса.

При обычно используемом в уровне техники переоборудовании, соотношение "пар/углерод" оставляют неизменным, либо уменьшают незначительно, чтобы избежать проблем в работе в находящейся далее в цепи обработки секции удаления СО₂. В изобретении, как это будет показано ниже, достигается синергический эффект снижения соотношения S/C и работы секции удаления углекислого газа.

Источник азота

Азот обычно поступает с воздухом, подаваемым во вторичный риформер, например, с воздушным потоком 14 на фигуре. Для подачи этого воздуха необходимо использование соответствующего агрегата воздушного компрессора. В соответствии с особенностью изобретения, этот агрегат воздушного компрессора (компрессор и турбина) дорабатывается установкой новых внутрикорпусных устройств (частей ротора и статора). При желании, вторичный риформер 2 оборудуется новой горелкой.

Как показано на схеме, вторичный риформер 2 имеет горелку в реакционной ступени 2b, обеспечивающую сжигание подводимого газа 13 (от первичного риформера) и воздуха 14. Конструкция новой горелки вторичного риформера, в соответствии с особенностью изобретения, обеспечит снижение перепада давления на воздушной стороне и сдвинет баланс к более высокой концентрации водорода и оксидов углерода.

В некоторых вариантах выполнения изобретения, для получения кислорода для обогащения подводимого воздуха 14, направляемого во вторичный риформер 2, используется воздухоразделительная установка (ВРУ). Эта ВРУ может быть использована в качестве источника азота.

Секция удаления диоксида углерода

Другая особенность изобретения состоит в увеличении производительности секции удаления СО₂ (элемент 4 на схеме), которая обычно не обеспечивает работы при значительном увеличении производительности.

Необходимые доработки зависят от метода удаления СО₂, используемого в модифицируемой установке. Наиболее распространенный метод основан на использовании раствора амина (особенно, активированного метилдиэтиламина МДЭА) или углекислого калия. Секция удаления диоксида углерода включает, в основном, подсекцию поглощения и подсекцию регенерации. Каждая из этих подсекций может иметь одну колонну или несколько колонн, например две колонны.

В некоторых случаях, существующая секция удаления СО₂ оборудована двумя абсорберами и двумя регенераторами. В этом случае, согласно особенности изобретения, эти два регенератора должны работать при различном давлении так, что первая ступень работает при первом давлении, а вторая ступень работает при втором, более низком, давлении.

Более предпочтительно, чтобы для соединения этих двух регенераторов устанавливалось соответствующее устройство, например струйный насос. Требуемые модернизации будут сведены к другому соединению труб для обеспечения работы двух регенераторов при разном давлении, и к установке простого оборудования, например струйного насоса, для соединения двух регенераторов в этой секции.

В других случаях, имеющаяся секция удаления диоксида углерода оборудуется только одной абсорбционной колонной и только одной регенерационной колонной. Таким образом, модернизация по существу увеличивает поступление тепла в имеющиеся колонны и включает установку дополнительных ребойлеров и конденсоров, и внутреннее переоборудование этих колонн. В этом случае требуются более глубокие доработки, чем в описанном выше варианте выполнения, и, предпочтительно, включают: внутреннее переоборудование колонн для исключения возможного переполнения; повышение производительности регенерационного обогащения; повышение производительности ребойлеров и (или) установку теплообменника "раствор/раствор".

В другом варианте выполнения установлена отпарная колонна низкого давления. Эта отпарная колонна низкого давления снижает производительность секции ребойлера и секции обогащения.

Следует заметить, что описанное выше изменение рабочего отношения "пар/углерод" (снижение до уровня 2,7÷3,1) имеет важные последствия в отношении расхода энергии на испарение в секции удаления СО₂. Действительно, снижение отношения "пар/углерод" (S/C) существенно уменьшает количество используемого тепла, что служило препятствием, в существующих установках, для снижения отношения S/C. В настоящем изобретении, напротив, удельное потребление энергии секции удаления СО₂ снижено (другими словами, повышена эффективность секции удаления СО₂), что позволяет иметь более низкое отношение S/C, что, как показано выше, имеет преимущество в отношении вырабатывания водорода.

Сжатие синтез-газа

Компрессор синтез-газа (элемент 33 в схеме) обычно обладает недостаточной резервной мощностью и поэтому требует модернизации. Компрессор синтез-газа может иметь несколько ступеней и несколько роторов (также называемых рабочими колесами) для каждой ступени, в соответствии со степенью сжатия. В предпочтительных вариантах выполнения, этот компрессор дорабатывается снижением числа роторов (рабочих колес) на ступень; размер новых колес увеличивается по сравнению с прежними колесами, благодаря чему степень сжатия ступеней компрессора снижается, но расход сжатого потока увеличивается. Снижение числа ступеней также приведет к увеличению эффективности компрессора за счет снижения просачивания мимо рабочих колес.

Упомянутые выше дополнительные возможности, например снижение отношения S/C и установка новой горелки, также положительно влияют на компрессор синтез-газа.

Действительно, увеличение производительности обычно вызывает дополнительный перепад давления в головной секции. При этом производительность компрессора синтез-газа снижается из-за большего падения давления в головной секции. В настоящем изобретении эта проблема решена модификацией, при которой давление всасывания компрессора синтез-газа поддерживается почти неизменным. Точнее, снижение отношения "пар/углерод" уменьшает перепад давления в головной секции, поскольку в оборудование головной секции втекает меньше воды и, как следствие, снижается нагрузка на главный компрессор синтез-газа. Установка новой горелки вторичного риформера также может способствовать снижению нагрузки компрессора, поскольку новая горелка будет предназначена для улучшения парового риформинга углеводородов с тем, чтобы снизить удельный расход природного газа (отношение расхода природного газа к вырабатываемому аммиаку).

Установка очистки синтез-газа

Для достижения заданной производительности, в дополнение к агрегату компрессора синтез-газа, должно устанавливаться другое устройство (если не было установлено первоначально), а именно блок очищения синтез-газа (прямоугольник 40 на схеме).

Это оборудование вводится для удаления воды, содержащейся в синтез-газе, и для подачи реагирующего газа непосредственно в конвертер аммиака. Процедура осушения может быть выполнена посредством аммиачной промывки, при которой синтез-газ промывается жидким аммиаком, либо с использованием молекулярного сита, которое позволяет селективно удалять воду из газового потока.

Если блок осушения с молекулярным ситом уже имеется, тогда первым возможным вариантом, предлагаемым в изобретении, является замена абсорбера в этом блоке осушения на новый, с большей осушающей способностью (замена абсорбирующего слоя на слой другого типа). Другим возможным вариантом, альтернативным замене типа абсорбирующего слоя, является замена имеющейся секции на совершенно новый блок аммиачной промывки.

Если нет никакого блока осушения, то вводится новое оборудование, для удаления кислородо-содержащих соединений из синтез-газа. Этим вновь устанавливаемым оборудованием является либо блок осушения синтез-газа на основе молекулярного сита, либо блок аммиачной промывки.

Блоки осушения могут быть введены в промежуточную ступень компрессора синтез-газа, либо на всасывающем конце этого устройства.

Контур синтеза

Как правило, контур синтеза (элемент 6 на схеме) может выдержать только ограниченное повышение производительности, т.е. не позволяет обрабатывать значительно больший поток подпиточного газа, поступающего от модернизированной головной секции. Ликвидация соответствующего "узкого места" требует модернизации для улучшения рабочих характеристик контура синтеза.

Основным узким местом для существенного (>40%) повышения производительности является конвертер синтеза аммиака. Если преобразование в конвертере недостаточно, происходит большое увеличение циркуляции в контуре синтеза и связанного с этим рабочего давления; с другой стороны, давление в контуре синтеза не должно превышать расчетного значения.

Для устранения недостатков существующего оборудования, в изобретении предлагается модернизация имеющегося конвертера синтеза аммиака либо, в качестве варианта, установка дополнительного конвертера аммиака параллельно или последовательно имеющемуся конвертеру.

Предпочтительно, модернизация имеющегося конвертера выполняется по адиабатической или изотермической схеме.

Предпочтительно, конвертер, модернизированный по адиабатической схеме, имеет радиальную или радиально-осевую многослойную конструкцию, т.е. имеет несколько слоев катализатора, пересекаемых осевым или радиально-осевым смешанным потоком реагентов. Также используется взаимное охлаждение между слоями катализатора.

Конвертер, модернизированный по изотермической схеме, содержит теплообменник (например, трубы или пластины), погруженные в слой (-ои) катализатора. В этом случае, также удобна однослойная конструкция, поскольку температурой можно управлять по слою катализатора.

Другие возможности модернизации

В некоторых случаях, модернизации подвергаются агрегат приточно-вытяжного вентилятора и (или) агрегат нагнетательного вентилятора. Агрегат приточно-вытяжного вентилятора, в частности, используется для выведения топочных газов из первичного риформера. Агрегат нагнетательного вентилятора используется для подачи, путем нагнетания, воздуха горения в горелки первичного риформера. В обоих случаях, модернизация может касаться как нагнетателя, так и турбины агрегата вентилятора.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, также подвергаются модернизации высокотемпературный и (или) низкотемпературный конвертеры СО. Это уместно в случаях, когда оказывается, что конвертеры СО представляют собой узкое место для повышения нагрузки. Предпочтительным способом модернизации таких конвертеров СО является использование устройств с радиальным или радиально-осевым принципом построения.

С тем, чтобы увеличить выработку водорода в головной секции, другим используемым решением является обогащение кислородом воздуха, подаваемого во вторичный риформер. Для осуществления этой модернизации требуется источник кислорода; примером такого источника может служить воздухоразделительная установка, и в данном случае может оказаться, что модернизации имеющегося воздушного компрессора больше не потребуется, поскольку дополнительный воздух подается новым воздушным компрессором, относящимся к агрегату воздухоразделительной установки.

Увеличение концентрации кислорода в технологическом воздухе, подаваемом во вторичный риформер, вызовет недостаток азота в синтез-газе, поэтому воздухоразделительная установка также должна подавать азот при необходимом давлении в контур синтеза с тем, чтобы обеспечить работу контура синтеза аммиака с оптимальным отношением водород/азот, равным 3:1.

В некоторых вариантах выполнения, блок регенерации водорода контура синтеза увеличен или модифицирован. Этот блок должен, в основном, отделять водород от других газов с тем, чтобы уменьшить количество инертных составляющих в контуре синтеза. Регенерация водорода может быть выполнена с использованием молекулярного сита или криогенной установки; если производительность этих устройств существенно увеличена, то модернизации конвертера аммиака можно избежать, хотя энергетические характеристики установки для получения аммиака не обязательно улучшаться.

Для установок, где весь вырабатываемый аммиак должен быть охлажден, значительное увеличение производительности требует модернизации агрегата компрессора охладителя с тем, чтобы его рабочие характеристики соответствовали новым требованиям. В качестве альтернативы модернизации этого компрессора, в варианте выполнения изобретения предлагается введение блоков водоохлаждения, например, работающих с бромисто-литиевой холодильной машиной. Для установки, оборудованной секциями аммиачной абсорбции, вместо компрессора хладагента, следует рассмотреть возможность модернизации этих устройств (либо установку дополнительных секций) для обеспечения аммиачной установки необходимыми средствами охлаждения.

Настоящее изобретение, в частности, подходит для модернизации российской установки для получения аммиака Государственного института азотной промышленности (ГИАП) и установки компании Toyo Engineering Corp.

Производительность российских установок ГИАП для получения аммиака составляет 1360 мт/д. Эти установки были разработаны по классической схеме с первичным риформером и имели некоторые основные отличия: секция удаления СО₂ работает с растворами метилэтиламина (МЭА) или метилдиэтиламина (МДЭА), с высокой степенью карбонизации и использованием оборудования собственной разработки (абсорбер, регенератор); для охлаждения аммиака и в сепарационных ступенях используются абсорбционно-охлаждающие блоки, вместо аммиачного компрессора. В этих блоках используется низкопотенциальное технологическое тепло.

Российские установки TOYO основаны на классической схеме фирмы Kellogg синтеза аммиака из природного газа и используют две ступени риформеров, две ступени конвертера СО, секцию удаления СО₂ (процесс Карсола или Бенфильда), а синтез аммиака производится при 320 кг/см.² Производительность этих установок составляет 1360 мт/д.

В установках для получения аммиака ГИАП и TOYO используются четырехступенчатый циркуляционный насос синтез-газа для обеспечения работы контура синтеза при избыточном давлении в интервале 200+300 бар.

Пример

Следующий пример относится к модернизации российской установки, выполненной по схеме TOYO, упомянутой выше.

Имеющиеся трубы первичного риформера на основе материала НК-40 с внутренним диаметром 85 мм были заменены на каталитические трубки из микролегированного металла с внутренним диаметром 92 мм. При этом объем катализатора увеличился на 15÷20%. Для сообщения первичному риформеру резервных возможностей отношение "пар/углерод" было снижено с 3,8 до 3,0 моль/моль.

Вторичный риформер был модернизирован заменой внутренней горелки новой горелкой, имеющей усеченно-коническую концевую секцию с расходящимся открытым концом (воронкообразным), как это раскрыто в ЕР 1531147. Эта горелка позволяет снизить падение давления технологического воздуха (например, падение давления воздуха снижается на 1 бар) и улучшить распределение газа в слое катализатора для повышения выработки водорода и снижения просачивания метана.

Имеющийся воздушный компрессор был модернизирован заменой статорной и роторной частей, что позволяет получить политропный КПД около 81% для компрессорной части низкого давления и примерно 77% для компрессорной части высокого давления, по сравнению с прежними КПД 70% и 65%, соответственно.

Аналогичные модернизации были проведены и в турбине воздушного компрессора.

Секция удаления СО₂, использующая раствор углекислого калия, первоначально имела два абсорбера и два регенератора. Модернизация этой секции достигалась последовательным включением двух регенераторов и их работой при двух различных давлениях, а именно первый регенератор использовался при давлении 1,4 бар абс., а второй регенератор использовался при давлении 2,1 бар абс.

Влажные пары СО₂, выходящие из регенератора низкого давления, сжимаются посредством струйного насоса, с использованием паров, выходящих из колонны высокого давления, в качестве увлекающего потока. Конечное давление на выходе этого струйного насоса составляет 1,55 бар абс.

Удельное потребление энергии секции удаления СО₂ снижено с 950 ккал до 700 ккал на каждый нм³ (нормальный кубометр, т.е. измеренный в нормальных условиях) СО₂.

Установка уже оборудована с блоком осушения синтез-газа. Для обеспечения возможности увеличения производительности этой секции на 40%, старое молекулярное сито было заменено на Z4-01, поставляемое компанией Zeochem, имеющее большую влагопоглощающую способность, при этом никаких изменений конструкции блока не потребовалось.

Компрессор синтез-газа и соответствующая турбина были модернизированы посредством замены частей статора и ротора. В частности, модернизация компрессора осуществлялась установкой меньшего числа рабочих колес в каждой ступени компрессора. С другой стороны, эти рабочие колеса позволяли получить более высокий политропный коэффициент полезного действия компрессора. Уменьшенное число рабочих колес ступени снижает давление на выходе компрессора и уменьшает внутреннее просачивание/утечку между рабочими колесами (чем меньше колес, тем меньше утечка между ними).

После модернизации, политропный КПД компрессорной части низкого давления составляет примерно 80%, компрессорной части высокого давления -76%, а политропный КПД циркуляционной части составляет примерно 78%. Прежний средний политропный КПД был менее 70%.

Контур синтеза, исходно имевший два осевых адиабатических аммиачных конвертера, был переоборудован посредством замены внутрикорпусных частей в обоих реакторах. Реакторы с новыми внутренними частями работают с радиально-осевым потоком, что улучшает процесс конверсии аммиака в реакторе и снижает перепад давления на конвертере. Рабочее давление контура (на выходе циркуляционного насоса) составляет 240 бар абс. (первоначально рабочее давление контура приближалось к 300 бар), а средняя концентрация аммиака в синтез-газе после конвертеров составляет 16,4 молярных процента. Перепад давления на конвертерах составляет менее 5 бар.

После модернизации производительность установки составляет около 2000 мт/д.

Изобретение относится к области получения аммиака на основе риформинга углеводородов, в частности к способу повышения производительности установки для получения аммиака. Способ включает увеличение количества водорода, вырабатываемого секцией риформинга, посредством замены труб первичного риформера новыми трубами, имеющими меньшую толщину, для увеличения внутреннего диаметра труб, и установки источника кислорода для обогащения кислородом, поставляемым этим источником, воздуха, подаваемого на вторичный риформер, модернизацию воздушного компрессора посредством установки новых статорных и роторных частей, для увеличения расхода воздуха, подаваемого во вторичный риформер, при сохранении прежнего выходного давления, а также модернизацию секции удаления СО₂, компрессора синтез-газа, блока осушения синтез-газа и контура синтеза аммиака. Изобретение обеспечивает повышение производительности установки для получения аммиака. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ увеличения производительности установки для получения аммиака, имеющей головную секцию для вырабатывания подпиточного синтез-газа и секцию (6) синтеза для конвертирования подпиточного синтез-газа в аммиак, при этом

головная секция включает:

первичный риформер (1), содержащий группу труб, заполненных катализатором;

вторичный риформер (2), в который поступает выходной поток первичного риформера и поток воздуха (14);

воздушный компрессор, обеспечивающий подачу воздуха (14) во вторичный риформер;

последовательно соединенные устройства для обработки потока с выхода вторичного риформера, включающие по меньшей мере конвертер (3) сдвига СО, секцию (4) удаления диоксида углерода (СО₂) и метанизатор (5);

блок осушения синтез-газа;

главный компрессор (33) синтез-газа для повышения давления синтез-газа до уровня давления в секции синтеза, содержащий заданное количество статоров и роторов;

при этом секция синтеза включает конвертер аммиака,

и при осуществлении способа:

обеспечивают увеличение количества водорода, который вырабатывается или может вырабатываться секцией риформинга, посредством:

замены труб первичного риформера новыми трубами, имеющими по существу тот же наружный диаметр, но меньшую толщину, чем прежние, для увеличения внутреннего диаметра труб; и (или)

установки источника кислорода для обогащения кислородом, поставляемым этим источником, воздуха, подаваемого на вторичный риформер;

модернизируют (модифицируют) воздушный компрессор посредством установки новых статорных и роторных частей так, что модернизированный компрессорный агрегат обеспечивает увеличение расхода воздуха, подаваемого во вторичный риформер, при сохранении прежнего выходного давления;

модернизируют секцию удаления СО₂;

модернизируют компрессор синтез-газа посредством замены, по меньшей мере, роторов этого компрессора и сокращения числа ступеней;

модернизируют блок осушения синтез-газа;

модернизируют контур синтеза аммиака,

причем модернизацию секции удаления СО₂ осуществляют посредством оборудования ее двумя абсорберами и двумя регенераторами и обеспечения работы регенераторов при различном давлении так, что первый генератор работает при первом давлении, а второй генератор работает при втором давлении, либо посредством оборудования ее одним абсорбером и одним регенератором и установки одного или более дополнительных ребойлеров и конденсоров и внутреннего переоборудования абсорбера и регенератора, либо посредством оборудования ее одним абсорбером и одним регенератором и установки новой отпарной колонны низкого давления и внутреннего переоборудования абсорбера и регенератора;

модернизацию блока осушения синтез-газа осуществляют посредством использования устройства с молекулярным ситом с новым абсорбером с более высокой осушающей способностью по сравнению с имеющимся абсорбентом, либо посредством установки блока аммиачной промывки, обеспечивающего удаление кислородосодержащих соединений;

а модернизацию контура синтеза аммиака осуществляют посредством установки радиально-осевых или радиальных внутренних частей в имеющийся конвертер контура, либо посредством применения в конвертере нескольких слоев катализатора или радиальной или радиально-осевой конструкции, или адиабатической или изотермической схемы, либо посредством установки дополнительного конвертера параллельно или последовательно с имеющимся конвертером.

2. Способ по п. 1, в котором для соединения двух регенераторов устанавливают струйный насос.

3. Способ по п. 1, в котором контур синтеза аммиака включает блок регенерации водорода, который модифицируют при модернизации контура синтеза аммиака.

4. Способ по п. 1, в котором выработку водорода повышают за счет установки предварительного риформера перед первичным риформером либо удлинением радиационного теплообменника первичного риформера.

5. Способ по п. 1, в котором выработку водорода в головной секции увеличивают за счет монтажа воздухоразделительной установки для обогащения кислородом, поставляемым этой установкой, воздуха, подаваемого на вторичный риформер.

6. Способ по п. 1, в котором осуществляют замену горелки вторичного риформера.

7. Способ по п. 1, в котором обеспечивают снижение отношения "пар/углерод" в головной секции, предпочтительно, до величины в интервале от 2,7 до 3,1.

8. Способ по п. 1, в котором производительность установки увеличивают по меньшей мере на 40% по сравнению с прежней производительностью.