УПРАВЛЕНИЕ КОНТУРОМ СИНТЕЗА АММИАКА ПРИ НЕПОЛНОЙ НАГРУЗКЕ Российский патент 2024 года по МПК C01C1/04 G05D27/00 

Область техники

В целом, изобретение относится к области промышленного синтеза аммиака.

Уровень техники

Промышленное производство аммиака включает, в основном, вырабатывание в головной секции подпиточного синтез-газа (MUG - от англ. make-up gas) для получения аммиака, и конверсию этого подпиточного газа в так называемом контуре синтеза аммиака.

Вырабатывание MUG в головной секции обычно основано на получении водорода из углеводородного сырья, например угля или природного газа, с добавлением азота для получения необходимого для синтеза аммиака соотношения водорода с азотом. Вырабатывание водорода может включать риформинг в первичном риформере и вторичном риформере с последующей очисткой газа, например, для удаления моноксида углерода, диоксида углерода и остатков метана. Азот может добавляться отдельно или вместе с топочным воздухом во вторичном риформере, в соответствии с различными вариантами осуществления головной секции.

Давление полученного таким путем MUG повышается до уровня давления синтеза аммиака главным компрессором MUG, после чего MUG конвертируется в аммиак в контуре синтеза, обычно включающем по меньшей мере: циркуляционный аппарат/насос, каталитический конвертер, конденсатор, сепаратор. Конвертер вырабатывает горячий содержащий аммиак газообразный продукт, который после конденсирования разделяется на жидкий аммиачный продукт и газовую фазу, рециркулируемую на всасывающий вход циркуляционного аппарата. В циркуляционный аппарат поступает MUG под высоким давлением, подаваемый главным компрессором, что поддерживает циркуляцию в контуре.

В условиях обычной эксплуатации контур синтеза аммиака предназначен для работы всегда с полной производительностью или близкой к полной производительностью, соответствующей номинальному расходу MUG, вырабатываемого в головной секции и передаваемого в контур синтеза посредством главного компрессора. Как правило, использование обычного контура синтеза аммиака при неполной нагрузке ниже 60% - 70% от его производительности не считается оправданным и целесообразным.

Внезапное изменение нагрузки конвертера считается потенциально вредным для самого конвертера и другого оборудования контура синтеза высокого давления. Например, быстрое изменение нагрузки может вызвать повышение скорости газа, что может привести к повреждению внутренних устройств конвертера или другого оборудования контура. Внезапное падение давления может привести к ударному воздействию ("гидравлическому удару") и повреждению оборудования.

Кроме того, при относительно низкой неполной нагрузке реакция синтеза аммиака может перестать быть термически самоподдерживающейся, в частности, из-за того, что конвертер будет получать избыточное количество рециркулированного аммиака в сравнении со свежим подпиточным газом и не сможет подогревать свежие реагенты нужным образом. Конвертер аммиака обычно оборудован пусковым нагревателем; однако использование пускового нагревателя для поддержания реакции при неполной нагрузке обычно нецелесообразно с экономической точки зрения и, кроме того, большая часть нагревателей с газовым обогревом не смогут отслеживать быстрые вариации нагрузки.

В силу всех указанных выше причин, конвертер аммиака и контур синтеза аммиака обычно считаются непригодными для работы при неполных нагрузках.

С другой стороны, традиционные головные секции, основанные на риформинге углеводородов, обычно используются при полной нагрузке для возмещения капиталовложений, и поэтому до сих пор плохая приспособляемость контура синтеза не рассматривалась как серьезный недостаток.

В последнее время, однако, стали появляться так называемые "зеленые" аммиачные производства, в которых по меньшей мере часть водорода, вырабатываемого в головной секции, получают из возобновляемых источников. В частности, водород может быть получен электролизом воды, получающим энергию из фотоэлектрических источников или ветроэлектростанций, а необходимый азот может быть получен из окружающего воздуха в блоке адсорбции с переменным давлением (АПД) или криогенной воздухоразделительной установке (ВРУ).

Такие аммиачные производства, где водород поступает из возобновляемых источников, представляют большой интерес из-за низких эксплуатационных расходов и низкого уровня загрязнения, в частности, они не выделяют CO2 в отличие от обычных процессов, основанных на использовании угля или природного газа. Однако возобновляемым источникам, например, источникам, использующим энергию Солнца или ветра, присуще непостоянство, например, отсутствие солнечной энергии в темное время суток. В "зеленом" аммиачном производстве количество подпиточного газа, вырабатываемого в головной секции и передаваемого в контур синтеза аммиака, может изменяться значительно и быстро. Контур синтеза аммиака, соединенный с головной секцией, питающейся от возобновляемых источников, должен будет приспосабливаться к быстрым изменениям нагрузки и работе при низкой нагрузке вплоть до примерно 20-25% от номинальной производительности.

Известные контуры синтеза аммиака и их системы управления, предназначенные для постоянной работы при полной нагрузке, подключенные к обычным головным секциям, основанным на процессе риформинга, не приспособлены для быстрых изменений нагрузки в "зеленом" производстве. На сегодняшний день, эта проблема решается использованием буферной емкости с находящимся под давлением подпиточным газом (MUG), представляющей собой громоздкое и очень дорогое оборудование. Этот недостаток является ограничивающим фактором для использования возобновляемой энергии в области синтеза аммиака.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание контура синтеза аммиака и соответствующего способа управления, приспособленных для работы в широком диапазоне рабочих нагрузок и для отслеживания быстрых изменений нагрузки, с небольшим запасом буферного газа или без использования буферного газа. Соответственно, изобретение направлено на создание контура синтеза аммиака, более приспособленного для работы с головной секцией, в которой водород получают от возобновляемого источника энергии, и поэтому выработка подпиточного газа подвержена колебаниям. Еще одной задачей изобретения является создание дополнительных возможностей для использования возобновляемых источников энергии в области промышленного производства аммиака.

Эта задача решается процессом синтеза аммиака в соответствии с формулой изобретения. Настоящее изобретение также относится к способу управления конвертером синтеза аммиака при неполной нагрузке, и контуру синтеза для синтеза аммиака в соответствии с формулой изобретения.

В процессе согласно изобретению, аммиак получают в контуре синтеза аммиака, включающем: конвертер, где происходит каталитический синтез аммиака; циркуляционный аппарат, выполненный с возможностью поддержания циркуляции в контуре и подачи в конвертер синтеза аммиака сырьевого газа, включающего подпиточный синтез-газ; линию питания конвертера от циркуляционного аппарата к конвертеру; конденсационную секцию, установленную после секции синтеза и принимающую содержащий аммиак газообразный продукт; сепарационную секцию, в которой конденсат, образующийся в конденсационной секции, разделяется на жидкий аммиачный продукт и газовый рециркулируемый поток; линию рециркуляции от сепарационной секции к всасывающему входу циркуляционного аппарата.

Соответственно, процесс включает: каталитический синтез аммиака в конвертере из водорода и азота, содержащихся в сырьевом газе; отведение содержащего аммиак газового продукта из конвертера; конденсирование этого газового продукта в конденсационной секции с получением конденсированного продукта; разделения конденсированного продукта на содержащий аммиак жидкий продукт, удаляемый из контура, и рециркулируемый газ; повторное введение рециркулируемого газа во всасывающий вход циркуляционного аппарата.

В изобретении часть сырьевого газа конвертера аммиачного синтеза отделяется из питательной линии конвертера в точке перед конвертером, для формирования байпасного потока. Далее изобретение включает повторное введение этого байпасного потока с всасывающей стороны циркуляционного аппарата или в контур синтеза аммиака в точке после сепарационной секции.

Байпасный поток обходит все или некоторые из частей оборудования контура синтеза, включая конвертер; благодаря повторному введению на всасывающий вход циркуляционного аппарата или после сепарационной секции, байпасный поток не смешивается с содержащим аммиак газообразным продуктом, отходящим из конвертера. Соответственно, отходящий продукт конвертера не разбавляется байпасным газом.

Циркуляционный поток в контуре синтеза может быть разделен, в частности, между конвертером и обводной линией, параллельной контуру синтеза, вводящей байпасный поток газа обратно во всасывающий вход циркуляционного аппарата.

Содержащий аммиак газовый продукт, выходящий из конвертера, не разбавляется байпасным газом. Поэтому обводной канал не влияет на конденсацию аммиака.

Отмечается, что контур синтеза может вдобавок включать и другие элементы к упомянутым выше, например, один или более теплообменников. В частности, теплообменники могут использоваться для подогрева потока материала, направляемого в конвертер, или для регенерации тепла охлаждением горячего отходящего потока конвертера.

Конденсационная секция контура синтеза может включать один конденсатор или несколько конденсаторов. Аналогично, сепарационная секция может включать один сепаратор или несколько. В частности, сепарационная секция может иметь два сепаратора, включенных последовательно с установленным между ними теплообменником. Контур синтеза обычно содержит один конвертер. Однако изобретение также применимо к контуру, включающему более одного конвертера.

Количество подпиточного газа, направляемого в обход конвертера (также называемое коэффициентом шунтирования), может устанавливаться трубопроводной арматурой, например, вентилем, управляемым подходящей системой управления. Система управления вычисляет соответствующий коэффициент шунтирования на основе одного или более сигналов и дает команду открыть вентиль нужным образом. Коэффициент шунтирования может устанавливаться так, чтобы удерживать один или более параметров управления в пределах целевого интервала. Параметры управления могут включать предпочтительно один или более из: давления в конвертере, давления в контуре, перепад температуры на конвертере.

В изобретении предложен контур синтеза и конвертер синтеза, которые могут адаптироваться к быстрому изменению количества подпиточного газа, поступающего из головной секции.

Благодаря использованию в изобретении обводного канала, конвертер защищен от перегрева, чрезмерной скорости газа и других возмущений, которые могут быть вызваны быстрым изменением расхода подводимого подпиточного газа. Даже если количество вырабатываемого в головной секции подпиточного газа невелико, реактор поддерживается в режиме, близком к режиму полной нагрузки, за исключением расхода. Конвертер стабилизирован и менее восприимчив к колебаниям количества продукта, поступающего из головной секции.

Таким образом, контур синтеза, управляемый в соответствии с изобретением, хорошо приспособлен для совместной работы с головной секцией, получающей энергию от возобновляемого источника энергии, благодаря способности отслеживать флуктуации выработки подпиточного газа и обеспечения стабильной работы вплоть до 20% от номинальной производительности или даже меньше. Конвертер продолжает функционировать в самоподдерживающемся режиме работы в широком диапазоне выработки выходного продукта, с исключением или снижением потребности подведения тепла, например, использования стартового нагревателя.

Система управления изобретения наряду с этим поддерживает стабильным давление, конверсию в конвертере и концентрацию аммиака на его входе. Это означает, что параметры, определяющие кинетику реакции, остаются постоянными, включая давление, внутренние температуры и состав на входе конвертера, что сводит к минимуму возмущения в работе конвертера. Кроме того, не возникает перегрева внутри конвертера, несмотря на высокое давление и низкую нагрузку установки, благодаря ограничению реакционного равновесия на выходе каталитических слоев, находящихся в конвертере.

Изобретение применимо при любой производительности получения аммиака, от самых маленьких установок до самых больших, работающих с поршневыми компрессорами или центробежными компрессорами.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Режим работы конвертера синтеза аммиака с полной нагрузкой соответствует переработке номинального расхода подпиточного газа, передаваемого в контур синтеза от головной секции. Режимом неполной нагрузки является режим, в котором расход подпиточного газа, поступающего из головной секции в контур синтеза, меньше упомянутого номинального расхода. Расход подпиточного газа, поступающего из головной секции в контур синтеза, может быть измерен, например, на всасывающем входе главного компрессора синтез-газа. Термин "синтез-газ" используется для сокращенного обозначения подпиточного синтез-газа, вырабатываемого в головной секции.

Управление конвертера в режиме с неполной нагрузкой производится путем отделения газового потока из питательной линии конвертера в точке перед входом в конвертер, с формированием байпасного потока и повторного введения этого байпасного потока с всасывающей стороны циркуляционного аппарата или в контур синтеза аммиака в точке на выходе упомянутой сепарационной секции. Этот газовый поток называется байпасным потоком.

Количество (т.е., расход) этого байпасного потока может быть определено, в различных вариантах осуществления, с учетом одного или более из следующих факторов:

i) мгновенного расхода подпиточного газа, передаваемого от головной секции в контур синтеза аммиака;

ii) изменения во времени расхода подпиточного газа, передаваемого от головной секции в контур синтеза аммиака;

iii) давления в контуре синтеза или внутри конвертера;

iv) перепада температуры в конвертере;

v) соотношения водорода и азота (H/N) на входе конвертера;

vi) температуры конденсации аммиака.

Параметр i) соответствует уровню нагрузки аммиачной установки в процентах. Этот параметр может быть измерен соответствующим датчиком, например, на всасывающем входе главного компрессора подпиточного газа, повышающего давление газа, подаваемого из головной секции, до давления синтеза аммиака.

Параметр ii) является индикатором того, насколько быстро происходит изменение расхода подпиточного газа. Использование этого параметра может включать измерение производной расхода по времени.

Параметр iii) может быть получен непосредственным измерением давления в конденсаторе или другом выбранном месте контура, например, на входе конвертера. Обычно все компоненты контура синтеза аммиака работают по существу при одном и том же давлении, если не учитывать падений давления и возможных различий по высоте. Поэтому давление контура и давление в конвертере обычно считается одинаковым.

Параметром iv) является различие между температурой подводимого сырьевого газа, поступающего в конвертер, и температурой содержащего аммиак продукта, отводимого из конвертера. Это различие также может быть названо дельта-Т конвертера.

Параметр v) соответствует отношению молярных концентраций водорода и азота в подпиточном газе. Это отношение может быть измерено, например, газоанализатором и/или измерением расходов вырабатываемых водорода и азота. Это отношение предпочтительно поддерживается вблизи 3, поскольку отклонение от этой величины означает, что один из двух реагентов в избытке и действует по большей части как инертный компонент.

Параметр vi) соответствует температуре конденсации аммиака в конденсационной секции контура синтеза, где конденсируется отведенный из конвертера горячий содержащий аммиак продукт и образуется жидкий аммиак.

В предпочтительных вариантах осуществления, количество байпасного газа выбирается таким образом, чтобы поддерживать упомянутый параметр iii) и/или iv) в пределах целевого интервала, близкого к режиму нормальной работы при полной нагрузке.

Предпочтительно, количеством байпасного газа управляют так, чтобы давление в конвертере при неполных нагрузках составляло не менее 90% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не менее 95%, и более предпочтительно, не менее 98%. Количеством байпасного газа можно также управлять так, чтобы давление в конвертере не превышало 110% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не более 103% и более предпочтительно, не более 102%. Максимальное давление может выбираться так, чтобы избежать срабатывания систем аварийной защиты, например, предохранительного клапана.

Могут быть заданы различные интервалы, включающие указанные выше границы, например, количество байпасного газа может регулироваться так, чтобы поддерживать давление в реакторе в пределах от 90% до 105% номинального давления, или еще более предпочтительно, от 98% до 102%.

Дельта-Т конвертера поддерживается предпочтительно в интервале плюс/минус 10°С, более предпочтительно в интервале плюс/минус 5°С, относительно дельта-Т конвертера при нормальном режиме работы с полной нагрузкой.

Режим неполной нагрузки может включать нагрузки, соответствующие расходу синтез-газа, подводимого в контур синтеза из головной секции, вплоть до 20% от номинального расхода или даже меньше. В вариантах применения, где источником водорода является щелочной электролизер, неполная нагрузка 20% считается минимально допустимой. В случае других источников водорода могут быть достижимы более низкие неполные нагрузки (менее 20%).

В предпочтительном варианте осуществления, количество байпасного газа устанавливается с учетом давления в конвертере или в контуре, и/или с учетом указанного выше дельта-Т конвертера. Для уточнения вычисления требуемого расхода байпасного газа могут быть с успехом использованы и другие параметры, такие, как изменения в расходе подпиточного газа и температуры конденсации аммиака, что позволяет обеспечить более плавную и устойчивую работу.

В частности, более предпочтительным является управление, учитывающее как давление, так и дельта-Т конвертера, поскольку при этом обеспечивается более плавная работа конвертера.

В варианте осуществления, используется специальное управление, предотвращающее падение потока или скачок потока. Термин падение потока подразумевает резкое снижение количества подпиточного газа, проходящего от головной секции в контур синтеза. Термином скачок потока обозначается резкое увеличение количества подпиточного газа, проходящего из головной секции в контур синтеза.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в случае падения потока:

- увеличивается количество байпасного газа;

- затем, количество байпасного газа регулируется таким образом, чтобы поддерживать давление в конвертере или дельта-Т конвертера на постоянном уровне или в пределах целевого узкого интервала.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в случае скачка потока:

- снижается количество байпасного газа;

- затем, количество байпасного газа регулируется таким образом, чтобы поддерживать давление в конвертере или дельта-Т конвертера на постоянном уровне или в пределах целевого узкого интервала.

В обоих упомянутых выше случаях, количество байпасного газа увеличивается или соответственно уменьшается сразу же после обнаружения падения или скачка потока. Это значит, что увеличение/уменьшение расхода байпасного потока производится сразу же при обнаружении падения/скачка потока, например, на всасывающем входе главного компрессора газа, а не при обнаружении связанного с этим воздействия на контур синтеза.

В случае спадающего потока, реакция может ослабнуть, например, из-за низкой температуры подводимого газа. В частности, если температура входного газа падает ниже заданного порога, катализатор может потерять активность и химическая реакция прекратится. Увеличение количества байпасного газа позволяет избежать этого нежелательного результата.

В случае скачка потока, давление в контуре может внезапно подскочить, вызывая срабатывание предохранительного клапана. Снижение количества байпасного газа предотвратит такое нежелательное последствие.

В варианте осуществления может быть использовано опережающее регулирование для реагирования на упомянутые выше события падения потока или скачка потока.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения включает шаг охлаждения подпиточного газа, обходящего конвертер перед его введением во всасывающий вход циркуляционного аппарата.

Количеством байпасного газа может управлять соответствующая система управления. В варианте осуществления, в частности, система управления получает сигнал об имеющемся количестве подпиточного газа, например на всасывающем входе главного компрессора, и один или более сигналов, отражающих текущее рабочее состояние контура синтеза. Эти сигналы могут показывать давление в конвертере или дельта-Т конвертера. На основе входных данных о расходе и рабочем состоянии контура, система управления определяет положение открытия вентиля на обводной линии контура и, следовательно, количество подводимого газа, обходящего конвертер.

Далее изобретение подробно описывается со ссылкой на фигуры, на которых:

На фигуре представлена схема контура синтеза аммиака в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фигуре элемент 1 обозначает головную секцию, вырабатывающую подпиточный газ 2 синтеза аммиака (синтез-газ). Подпиточный газ 2 подводится в главный компрессор 3, который подает сжатый газ 4 в контур 5 синтеза.

Контур 5 в основном включает циркуляционный аппарат 6, конвертер 7, конденсатор 8 и сепаратор 9. Конденсатор 8 образует конденсационную секцию, а сепаратор 9 образует сепарационную секцию.

Исходный сырьевой газ подается в конвертер 7 по питательной линии 10 конвертера. Горячий содержащий аммиак газовый продукт отводится линией 11 от конвертера 7 и конденсируется в конденсаторе 8; конденсат в линии 12 разделяется в сепараторе 9 на жидкий аммиачный продукт, отводимый из установки по линии 13, и газовую фазу в линии 14, содержащую часть непрореагировавших водорода и азота и остаточные пары аммиака, которые возвращаются на всасывающий вход циркуляционного аппарата 6.

Питательная линия 10 от циркуляционного аппарата 6 к конвертеру 7 соединена с обводной линией 15, проходящей в обход конвертера 7, конденсатора 8 и сепаратора 9, присоединяя, таким образом, нагнетательную сторону циркуляционного аппарата 6 обратно к его всасывающему входу. Обводная линия 15 опционально включает охладитель 16 обводного канала.

Линии 10, 11 и 14 могут включать теплообменники (не показано).

На обводной линии 15 установлена арматура (далее - вентиль) 17 для управления расходом через линию 15. В данном примере, вентиль 17 имеет контроллер 18, соединенный с блоком 19 управления.

Блок 19 управления соединен с расходомером 20, предназначенным для определения расхода подпиточного газа, поступающего из головной секции 1. Например, расходомер 20 измеряет расход подпиточного газа 2 на всасывающем входе главного компрессора 3.

Блок 19 управления также присоединен к датчику 21 давления в контуре, измеряющему давление на входе конвертера, например, в линии 10.

Используя входные сигналы от расходомера 20 и датчика 21 давления в контуре, блок 19 управления вычисляет степень открытия вентиля 17 и, следовательно, количество газа, протекающего в обводную линию 15.

На схеме также показана антипомпажная линия 22 главного компрессора 3. Эта линия 22 включает охладитель 23 газа. При наличии антипомпажной линии 22, часть газа, отбираемого из линии 4, может быть возвращена на всасывающий вход главного компрессора 3.

В процессе работы, на всасывающий вход 24 циркуляционного аппарата 6 поступает подаваемый главным компрессором 3 сжатый подпиточный газ 4, смешанный с газовой фазой, поступающей линии 14 из верхней части сепаратора 9 контура и, возможно, смешанный с байпасным газом из линии 15.

Расход с нагнетательной стороны 25 циркуляционного аппарата 6 может быть частично отведен в обводную линию 15, в зависимости от состояния вентиля 17; остальная часть подается в конвертер 7 по линии 10 подачи.

Конвертер 7 имеет номинальное давление синтеза аммиака (также называемое давлением контура) про 100% производительности, в частности, около 140 бар. При неполных нагрузках, блок 19 управления управляет вентилем 17, изменяя количество подпиточного газа, фактически подаваемого в конвертер 7, для поддержания в пределах целевого интервала давления в контуре и конвертере, например, давления, измеряемого датчиком 21. Предпочтительно, этим целевым интервалом является узкий интервал вокруг номинального давления, т.е., регулирование вентиля 17 производится для поддержания давления в контуре в основном постоянным, вне зависимости от количества газа, фактически вырабатываемого головной секцией 1.

В другом варианте осуществления, циркуляцией в контуре и расходом в обводной линии 15 можно управлять на основании дельта-Т конвертера, например, измеряя входную температуру Т₁₀ конвертера в линии 10 подачи, и выходную температуру Т₁₁ конвертера в линии 11. В этом варианте осуществления, блок 19 управления может быть выполнен с возможностью поддержания дельта-Т (Т₁₁ - Т₁₀) конвертера в пределах целевого интервала. В частности, система может быть приспособлена для предотвращения перегрева конвертера и для предотвращения падения температуры ниже минимального предела, что может привести к выходу конвертера из самоподдерживающегося режима работы.

Кроме того, блок 19 управления может быть выполнен с возможностью реагирования на быстрое изменение расхода, измеренного расходомером 20. Например, блок 19 управления может выдать команду на предварительное открытие вентиля 17 в случае внезапного падения расхода подпиточного газа 2. На этом шаге блок 19 может работать по принципу опережающего управления. Затем блок 19 переключается в обычный режим управления для поддержания стабильности давления в контуре. Аналогично, блок 19 управления может реагировать на скачок потока перекрытием вентиля.

Пример 1

Следующий пример 1 относится к маломасштабной установке получения аммиака с производительностью 3 метрических тонны в день (мт/день) аммиака. Имеющиеся сведения о параметрах соответствуют работе с 100% нагрузкой и работе при 30% нагрузке, при этом управление установкой осуществляется в соответствии с настоящим изобретением. При 30% нагрузке, 70% циркуляционного потока походит по обводному каналу. Размерность м³/ч_эфф соответствует кубическим метрам в час в условиях с температурой и давлением в контуре синтеза. Размерность Nm³/ч соответствует кубическим метрам в час в нормальных условиях при атмосферном давлении и температуре 0°С.

Пример 2

Приведенный далее пример 2 относится к крупной установке получения аммиака с производительностью 1000 метрических тонн в день (мт/день) аммиака. Имеющиеся сведения о параметрах соответствуют работе с 100% нагрузкой и работе при 30% нагрузке, при этом управление установкой осуществляется в соответствии с настоящим изобретением. При 30% нагрузке, 70% циркуляционного потока походит по обводному каналу.

Примеры показывают, что поддерживается стабильная работа конвертера при постоянном давлении. Параметры, определяющие динамику конверсии, остаются стабильными.

Настоящее изобретение относится к области промышленного синтеза аммиака, конкретно к способу получения аммиака, контуру синтеза аммиака и способу его управления. Способ синтеза аммиака характеризуется тем, что в головной секции (1) вырабатывают подпиточный синтез-газ (2) для получения аммиака, повышают давление этого подпиточного газа в первом компрессоре (3) и подают подпиточный синтез-газ (4) высокого давления, полученный в первом компрессоре, в контур (5) синтеза аммиака. Контур включает по меньшей мере конвертер (7), выполняющий каталитический синтез аммиака, циркуляционный аппарат (6), представляющий собой компрессор, выполненный с возможностью поддержания циркуляции в контуре и подачи в конвертер сырьевого газа, включающего подпиточный синтез-газ, питательную линию (10) конвертера от циркуляционного аппарата к конвертеру, конденсационную секцию (8), установленную на выходе секции синтеза для приема содержащего аммиак газового продукта, сепарационную секцию (9), в которой полученный в конденсационной секции конденсат разделяется на аммиачный жидкий продукт и газовый рециркулируемый поток и рециркуляционную линию (14) от сепарационной секции к всасывающему входу циркуляционного аппарата. Причем режим полной нагрузки контура (5) синтеза аммиака соответствует обработке номинального расхода подпиточного газа (2), передаваемого от головной секции (1) в контур синтеза, и при осуществлении способа управляют контуром (5) в режиме неполной нагрузки, характеризующемуся пониженным расходом подпиточного газа, передаваемого в контур от головной секции, по сравнению с номинальным расходом, посредством отделения потока (15) газа от питательной линии (10) конвертера в точке перед конвертером (7), для формирования байпасного потока. Этот байпасный поток повторно вводят с всасывающей стороны (24) циркуляционного аппарата (6) или в контур (5) синтеза аммиака в точке на выходе сепарационной секции (9). Техническим результатом изобретений является усовершенствование контура синтеза аммиака и соответствующего способа управления, приспособленных для работы с водородом, полученным от возобновляемого источника энергии и работы в широком диапазоне рабочих нагрузок. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ синтеза аммиака, в котором:

вырабатывают в головной секции (1) подпиточный синтез-газ (2) для получения аммиака;

повышают давление этого подпиточного газа в первом компрессоре (3);

подают подпиточный синтез-газ (4) высокого давления, полученный в первом компрессоре, в контур (5) синтеза аммиака, включающий по меньшей мере:

конвертер (7), выполняющий каталитический синтез аммиака;

циркуляционный аппарат (6), представляющий собой компрессор, выполненный с возможностью поддержания циркуляции в контуре и подачи в конвертер сырьевого газа, включающего подпиточный синтез-газ;

питательную линию (10) конвертера от циркуляционного аппарата к конвертеру;

конденсационную секцию (8), установленную на выходе секции синтеза для приема содержащего аммиак газового продукта;

сепарационную секцию (9), в которой полученный в конденсационной секции конденсат разделяется на аммиачный жидкий продукт и газовый рециркулируемый поток;

рециркуляционную линию (14) от сепарационной секции к всасывающему входу циркуляционного аппарата,

причем режим полной нагрузки контура (5) синтеза аммиака соответствует обработке номинального расхода подпиточного газа (2), передаваемого от головной секции (1) в контур синтеза, и

при осуществлении способа управляют контуром (5) в режиме неполной нагрузки, характеризующемся пониженным расходом подпиточного газа, передаваемого в контур от головной секции, по сравнению с номинальным расходом, посредством:

отделения потока (15) газа от питательной линии (10) конвертера в точке перед конвертером (7), для формирования байпасного потока;

повторно вводят этот байпасный поток с всасывающей стороны (24) циркуляционного аппарата (6) или в контур (5) синтеза аммиака в точке на выходе сепарационной секции (9).

2. Способ по п. 1, в котором:

измеряют давление синтеза в конвертере или другом месте контура синтеза аммиака;

устанавливают количество газа в байпасном потоке так, чтобы разница между измеренным давлением синтеза при неполной нагрузке и давлением синтеза при полной нагрузке поддерживалась в пределах целевого интервала.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором:

измеряют перепад температуры на конвертере путем измерения различия между температурой сырьевого газа, поступающего в конвертер, и температурой содержащего аммиак продукта, отводимого из конвертера;

устанавливают количество газа в байпасном потоке так, чтобы перепад температуры на конвертере поддерживался в пределах целевого интервала.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором устанавливают количество газа в байпасном потоке как функцию мгновенного количества и/или изменения во времени расхода подпиточного газа, передаваемого от головной секции в контур синтеза аммиака.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором при неполных нагрузках количество газа в байпасном потоке устанавливают так, чтобы давление в конвертере составляло не менее 90% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не менее 95% и более предпочтительно, не менее 98%.

6. Способ по п. 5, в котором при неполных нагрузках количество газа в байпасном потоке устанавливают так, чтобы давление в конвертере не превышало 110% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не более 105% и более предпочтительно, не более 102%.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором режим неполной нагрузки включает нагрузки, соответствующие расходу подпиточного газа, подводимого от головной секции в контур синтеза, сниженному вплоть до 15% от номинального расхода.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором:

измеряют падение или скачок расхода подпиточного газа, передаваемого из головной секции в контур синтеза, и реагируют на это падение или скачок расхода потока посредством:

а) увеличения количества газа в байпасном потоке в случае падения расхода потока, или снижения этого количества в случае скачка расхода потока;

б) после шага (а) регулируют количество газа в байпасном потоке для поддержания давления в конвертере или перепада температуры на конвертере, на постоянном уровне или в пределах целевого узкого интервала.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, включающий шаг охлаждения байпасного потока перед его повторным введением во всасывающий вход циркуляционного аппарата или в контур.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором получение подпиточного газа в головной секции включает получение водорода из возобновляемого источника энергии.

11. Способ управления контуром (5) синтеза аммиака, работающим при неполной нагрузке и включающим:

конвертер (7), в котором осуществляется каталитический синтез аммиака;

циркуляционный аппарат (6), представляющий собой компрессор, выполненный с возможностью поддержания циркуляции в контуре и подачи в конвертер сырьевого газа, включающего подпиточный синтез-газ;

питательную линию (10) конвертера от циркуляционного аппарата к конвертеру;

конденсационную секцию (8), установленную после секции синтеза для приема содержащего аммиак газового продукта;

сепарационную секцию (9), в которой конденсат, вырабатываемый в конденсационной секции, разделяется на аммиачный жидкий продукт и газовый рециркулируемый поток;

рециркуляционную линию (14) от сепарационной секции к всасывающему входу циркуляционного аппарата,

причем режим полной нагрузки контура синтеза аммиака соответствует обработке номинального расхода подпиточного газа, передаваемого от головной секции в контур синтеза, а неполная нагрузка соответствует режиму, когда подпиточный газ от головной секции в контур передается с расходом меньше номинального расхода, и

при осуществлении способа отделяют поток (15) газа из питательной линии конвертера в точке перед входом в конвертер, для формирования байпасного потока и повторного введения этого байпасного потока с всасывающей стороны (24) циркуляционного аппарата (6) или в контур (5) синтеза аммиака в точке после сепарационной секции (9).

12. Способ по п. 11, в котором количество газа в байпасном потоке в режиме неполной нагрузки устанавливают как функцию одного или более из следующих факторов:

мгновенного количества и/или изменения во времени расхода подпиточного газа, передаваемого от головной секции в контур синтеза аммиака; давления в контуре синтеза или в конвертере;

перепада температуры на конвертере, измеряемого как разница между температурой сырьевого газа, входящего в конвертер, и температурой содержащего аммиак продукта, отведенного от конвертера.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором количество газа в байпасном потоке устанавливают так, чтобы давление в конвертере составляло:

не менее 90% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не менее 95% и более предпочтительно, не менее 98%, и

не более 110% от номинального давления синтеза, предпочтительно, не более 105% и более предпочтительно, не более 102%.

14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором количество газа в байпасном потоке устанавливают так, чтобы поддерживался в пределах целевого интервала перепад температур на конвертере, измеренный как разница между температурой сырьевого газа, входящего в конвертер, и температурой содержащего аммиак продукта, отведенного из конвертера.

15. Способ по любому из пп. 11-14, в котором: измеряют падение или скачок расхода подпиточного газа (2), передаваемого из головной секции (1) в контур синтеза, и:

а) увеличивают количество газа в байпасном потоке в случае падения потока, или снижают это количество в случае скачка расхода потока;

б) после шага (а) регулируют количество газа в байпасном потоке для поддержания давления в конвертере или перепада температуры на конвертере на постоянном уровне или в пределах целевого узкого интервала.

16. Контур (5) синтеза для синтеза аммиака из подпиточного синтез-газа для получения аммиака, включающий:

конвертер (7) для осуществления каталитического синтеза аммиака;

циркуляционный аппарат (6), представляющий собой компрессор, выполненный с возможностью поддержания циркуляции в контуре и подачи в конвертер сырьевого газа, включающего подпиточный синтез-газ;

питательную линию (10) конвертера от циркуляционного аппарата к конвертеру;

конденсационную секцию (8), установленную после секции синтеза для приема содержащего аммиак газового продукта;

сепарационную секцию (9), в которой конденсат, вырабатываемый в конденсационной секции, разделяется на аммиачный жидкий продукт и газовый рециркулируемый поток;

рециркуляционную линию от сепарационной секции к всасывающему входу циркуляционного аппарата, и

дополнительно включающий:

обводную линию (15), выполненную для отбора потока газа из питательной линии конвертера в точке перед конвертером и для повторного введения этого байпасного потока с всасывающей стороны (24) циркуляционного аппарата (6) или в контур (5) синтеза аммиака в точке после сепарационной секции (9);

арматуру (17) управления потоком, установленную на обводной линии (15);

систему (19) управления конвертером, приспособленную для управления открытием арматурой (17) и, тем самым, количеством газа, обходящего конвертер по обводной линии (15),

причем система управления выполнена с возможностью осуществления способа по пп. 11-15.