Министерство науки, высшей школы и технической политики

Российской Федерации

Курсовой проект

по курсу: технология химических предприятий

на тему: "Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза"

Выполнил:

студент Шаламов П.Э.

специальность 08502-С

шифр 405032

Проверил:

Москва

2008г.

Введение

Скорость реакции синтеза аммиака

Синтез аммиака из газообразных азота и водорода протекает с измеримой скоростью только при участии твердых катализаторов; это -- гетерогенно-газовая каталитическая реакция.

Катализаторы.

Для реакции синтеза аммиака катализаторами являются железо, платина, осмий, марганец, вольфрам, уран, родий и другие металлы, атомы которых характеризуются незаполненным вторым снаружи электронным слоем. Особенно высокая активность обнаружена при лабораторных исследованиях у осмия и урана. Однако условия использования катализатора в лаборатории и на заводе, перерабатывающем в сутки сотни тысяч и миллионы кубических метров газа, различны. Понадобились большие усилия, чтобы найти катализаторы, удовлетворяющие производственным требованиям.

Промышленный катализатор должен быть активным при относительно низких температурах в связи с рассмотренной выше зависимостью состояния равновесия реакции от температуры. Активность катализатора должна поддерживаться на постоянном и достаточно высоком уровне в течение длительного времени. Присутствие в газе некоторых ядов, полное удаление которых является сложным и дорогим процессом, не должно оказывать существенного влияния на активность катализатора. Наконец, катализатор должен быть дешев. Этим требованиям не удовлетворяют, например: осмий, платина, уран, железо. Первые два металла активные и устойчивые катализаторы, но дороги; уран -- активный катализатор, но легко отравляется водяными парами; восстановленное металлическое железо -- активный и дешевый, но неустойчивый катализатор.

В поисках катализатора, наиболее отвечающего промышленным требованиям, были испытаны тысячи разнообразных материалов -- почти все металлы, как сами по себе, так и в сочетании по два и по три в разнообразных пропорциях. Еще ранее было замечено, что катализаторы, состоящие из нескольких веществ, часто более активны, чем отдельные составляющие их вещества.

Опыт показал, что эта закономерность проявляется и при синтезе аммиака на железных катализаторах: катализаторы для синтеза аммиака, полученные восстановлением железа из руд различных месторождений, при почти одинаковом химическом составе отличаются по активности иногда в три-четыре раза. Эти наблюдения легли в основу дальнейших поисков. Оказалось, что катализатором, удовлетворяющим перечисленным выше требованиям, является металлическое железо с добавкой незначительных количеств окислов алюминия и калия. Такой катализатор более активен, чем чистое железо, и сохраняет свою активность в течение многих месяцев в условиях работы на промышленном газе.

Для каждого катализатора характерен определенный оптимальный температурный режим. Катализаторы, приготовленные из железа или железной руды, дают возможность вести процесс при температурах: не ниже 450° и не выше 600°. Значительно отличаются от них в этом отношении железные активированные катализаторы, полученные разложе-нием комплексных цианистых солей, например железистосинеродистого калий-алюминия. Эти катализаторы активны уже при 400° и ниже.

Повышение активности катализатора -- эффективный способ увеличения производительности аппарата. Благодаря усовершенствованию методов получения катализаторов, удалось значительно повысить производительность колонн синтеза.

При очень высоких давлениях равновесие настолько значительно смещается в сторону образования аммиака, что представляется возможным повысить температуру до 800--900°, при которой (под давлением 500 ат) реакция протекает в отсутствие специально вводимых в аппарат катализаторов. При этих условиях, по-видимому, достаточно каталитического действия стенок реакционного аппарата, -- в лабораторном аппарате в отсутствие катализаторов реакция протекала с большой скоростью и была достигнута высокая степень превращения исходной смеси.

Стадии реакции синтеза аммиака.

Любая реакция между газообразными веще-ствами, протекающая на поверхности катализатора, может быть расчленена на пять последовательных стадий:

перенос газообразных реагирующих веществ к поверхности катализатора,

адсорбция

реакция на поверхности

десорбция про-дукта реакции с поверхности

перенос продукта реакции от поверхности в объем газовой фазы.

Адсорбция при гетерогенно-газовых каталитических реакциях характеризуется, в большинстве случаев, относительно высокой энергией активации и сопровождается выделением значительного количества тепла (от 10 до 100 ккал на 1 г-мол адсорбированного газа). Такая адсорбция называется активированной.

Скорость одной из перечисленных стадий может быть значительно меньше скоростей остальных стадий, и тогда эта стадия определяет скорость суммарного процесса. Какая из стадий будет медленной, зависит от свойств системы и значений внешних параметров. Иногда скорость каталитического процесса определяют стадии переноса газообразных веществ к поверхности и продуктов реакции от поверхности. Например, если газовая смесь проходит через слой катализатора с небольшой линейной скоростью, то перенос веществ к поверхности катализатора совершается медленно и может ограничивать скорость суммарного процесса -- реакция характеризуется малым значением энергии активации и незначительным увеличением скорости реакции с повышением температуры. Значительно чаще скорость реакции ограничивается скоростью Адсорбции, десорбции или реакции на поверхности.

Стадии каталитического синтеза аммиака следующие. Азот и водород диффундируют из объема газовой фазы к поверхности катализатора, где протекает активированная адсорбция обоих газов. Далее адсорбированный азот вступает во взаимодействие с адсорбированным или газообразным водородом, причем последовательно образуются имид NH, амид NH₂ и аммиак NH₃. Последний десорбируется с поверхности и поступает в объем газовой фазы.

Обширные работы в области изучения скорости синтеза и разложения аммиака дают большой материал для теоретической химии, несмотря на то, что значительная часть их посвящена изысканиям эффективных катализаторов для промышленного синтеза и определению оптимальных условий для их применения.

Измерения скорости синтеза аммиака на железном, молибденовом и вольфрамовом катализаторах и скорости разложения аммиака на железном и медном катализаторах показали, что скорость синтеза на различных катализаторах подчиняется уравнению, указывающему на общность механизма реакции на разных катализаторах. Таким образом, кинетические измерения суммарных процессов подтверждают, что адсорбция азота и десорбция его являются ограничивающими стадиями синтеза и разложения аммиака.

Исследования скорости синтеза аммиака под повышенным давлением в изотермических условиях проводились с чистой азотоводородной смесью стехиометрического состава при давлении 300 ат, температурах 425--525°С интервалом в 25°С и при различных объемных скоростях с железным катализатором (активированным окисью алюминия и окись калия), полученным методом кислородной плавки.

При одной и той же температуре и при разных объемных скоростях значения констант скорости реакции близки между собой.

Оптимальные условия синтеза аммиака

Содержание аммиака в газе падает с увеличением объемной ско-рости, т. е. с уменьшением времени контактирования.

С повышением давления увеличивается равновесный выход аммиака и возрастает скорость реакции. Скорость реакции растет также с уменьшением размеров зерен катализатора.

Зная зависимость степени превращения исходной смеси от объемной скорости, температуры, давления и размеров зерен катализатора, можно определить условия, необходимые для достижения высокой производительности катализатора.

При данной объемной скорости производительность катализатора прямо пропорциональна содержанию аммиака, т.е. достигает максимума при оптимальном температурном режиме и увеличивается с повышением давления.

С увеличением объемной скорости производительность катализатора растет, потому что, как было показано выше, содержание аммиака уменьшается медленнее, чем возрастает объемная скорость.

Производительностью катализатора (G) называется вес продукта, полученного в течение одного часа с 1м³ катализатора. Производительность катализатора выражается в кг/м³ час.

Для повышения производительности катализатора нужно увеличивать объемную скорость, что приводит к понижению содержания аммиака в газе после контакта. Это возможно только при условии, что неиспользованная азотоводородная смесь вновь направляется в колонну синтеза.

При выборе объемной скорости учитывают не только необходимость наилучшего использования катализатора, но и влияние изменения объемной скорости на производительность остальных аппаратов (входящих в агрегат синтеза аммиака), а также на расход энергии на транспорт газа и на нагревание и охлаждение газовых смесей.

Расход энергии на транспорт газа через реакционную аппаратуру пропорционален объемной скорости, а не производительности катализатора. Следовательно, с увеличением объемной скорости расход энергии по этой статье на 1т. аммиака увеличивается.

Выделение аммиака из газовой смеси производится обыкновенно его конденсацией. Так как с увеличением объемной скорости уменьшается парциальное давление аммиака, то для того, чтобы сконденсировать аммиак, газ должен быть охлажден до более низкой температуры.

Количество тепла, выделяющееся при реакции в единицу времени на единицу объема катализатора, пропорционально производительности катализатора. Поэтому с увеличением объемной скорости количество тепла, приходящееся на 1м³ газа, уменьшается.

При заданной температуре газа на выходе из аппарата количество уносимого газами тепла возрастает прямо пропорционально объемной скорости.

Выбор объемной скорости в каждом отдельном случае может быть сделан только на основании разностороннего анализа процесса. Повышение производительности путем увеличения объемной скорости ограничивается, в первую очередь, требованием вести процесс без затраты тепла извне.

Первое время при производстве синтетического аммиака работали с небольшими объемными скоростями (5000--10000), теперь перешли к скоростям 30 000--60 000 нм³/м³ час.

Таким образом, для достижения более высокой производительности необходимо проводить процесс при высоких давлениях и оптимальном для данного катализатора температурном режиме, при больших объемных скоростях и на возможно более чистом газе.

Краткое описание технологической схемы производства аммиака

Из предыдущего ясно, что для достижения высокой производительности аппарата процесс синтеза аммиака следует вести, не стремясь к получению равновесных выходов. Напротив, надо пропускать газ с такой объемной скоростью, при которой выходящая из аппарата газовая смесь далека от состояния равновесия и содержание аммиака в ней невелико. Поэтому необходимо, выделив аммиак из газа, вновь направить азотоводородную смесь на синтез, что может быть осуществлено двумя приёмами. Можно соединить последовательно ряд агрегатов для синтеза аммиака, пропуская газ через все агрегаты (схема с открытой цепью). Каждый агрегат состоит из колонны синтеза, холодильника (в котором газ охлаждается и конденсируется аммиак) и газоотделителя для разделения газа и жидкого аммиака. Можно проводить процесс в одном агрегате, направляя азотоводородную смесь после выделения аммиака и добавки к ней соответствующего количества свежей смеси обратно в колонну синтеза. Такой циклический процесс благодаря своим преимуществам, прежде всего компактности и простоте регулирования, применяется в настоящее время почти на всех установках.

Первой стадией процесса является сжатие азотоводородной смеси до давления, под которым осуществляется процесс синтеза аммиака. В настоящее время в производстве синтетического аммиака применяются давления от 100 до 1000 ат. Расход энергии на сжатие смеси незначительно возрастает с повышением давления, так как работа сжатия приблизительно пропорциональна логарифму отношения давлений.

Сжатый газ после компрессора проходит через фильтр, где очищается от масла.

Второй стадией процесса в ряде способов синтеза аммиака является дополнительная очистка азотоводородной смеси от ядов: окиси углерода, кислорода и водяных паров. Напомним, что смесь, полученная описанными выше способами, содержит эти примеси в количествах, измеряемых тысячными или сотыми долями процента. Дополнительная очистка производится каталитическим способом.

Она осуществляется различными методами, например путем гидрирования:

СО + ЗН₃ = СН₄ + Н₂О

О₂+2Н₂ = 2Н₂О

Эти реакции идут при повышенном давлении и температуре 300--350° в присутствии специального катализатора. При последующем охлаждении газа большая часть водяных паров, образовавшихся в так называемой колонне предкатализа, конденсируется и удаляется.

Хотя метан не является ядом для катализатора синтеза аммиака, но повышение его содержания в газе понижает парциальное давление реагирующих веществ и, следовательно, производительность. Поэтому каталитический способ очистки применяется лишь для удаления незначительных количеств окиси углерода и кислорода. Содержание окиси углерода и водорода в газовой смеси, поступающей в колонну предкатализа, очень мало.

Поэтому процесс не может протекать автотермично и необходим постоянный подвод тепла для поддержания в аппарате требуемой температуры. Процесс можно провести автотермично, если выбрать такие условия для предкатализа, при которых частично реагирует и азотоводородная смесь. Сжатая и очищенная азотоводородная смесь направляется далее вместе с циркуляционным газом в колонны синтеза аммиака.

Следующей операцией является выделение из газа аммиака путем конденсации. Температура, до которой нужно охладить газ, чтобы сконденсировать аммиак, зависит от давления.

Количество аммиака, остающегося в газе при данной температуре конденсации, обратно пропорционально общему давлению, что позволяет, применяя для синтеза аммиака давление 750--1000 ат, достигать удаления 80--90% аммиака из газа охлаждением его в водяных холодильниках. При меньших давлениях газ приходится охлаждать дополнительно в аммиачных холодильниках до температуры от 0° до --55° (в зависимости от давления). В аммиач-ном холодильнике используется производимый на установке жидкий аммиак, который после испарения направляется в газообразном виде в перерабатывающие цехи.

Освобожденная в той или иной степени от аммиака азотоводородная смесь после добавления к ней свежего газа возвращается в колонну синтеза. Для циркуляции газов применяются в большинстве случаев циркуляционные насосы, компенсирующие падение давления в системе (перепад давления измеряется 10--20 ат). В системах высокого давления иногда взамен циркуляционных насосов применяются инжекторы. Свежий газ подводится к инжектору под давлением, превышающим давление циркулирующего газа я а 10 -- 15 ат.

Регулирование состава газовой смеси

Азотоводородная смесь содержит не участвующие в реакции примеси (аргон и др.). Их содержание в свежей смеси зависит от метода ее получения. Если эти примеси тем или иным путем не выводятся из цикла, то при циркуляции газовой смеси через систему синтеза аммиака инертные примеси накапливаются, режим нарушается, и производительность колонны падает. Например, по лабораторным данным при объемной скорости 30 000 час¹, давлении 300 ат, температуре 500° и при чистой азотоводородной смеси содержание аммиака в газе после катализатора равнялось 18,6%. При тех же условиях, но при содержании в смеси 10% метана содержание аммиака снизилось до 14,8%. Примерно так же влияет и примесь аргона.

Инертные примеси частично растворяются в аммиаке; однако этого в большинстве случаев недостаточно и необходимо также выпускать часть циркулирующей смеси из цикла. При установившемся процессе количество инертных примесей, которое выводится из цикла, равняется количеству инертных газов, поступающему в цикл со свежим газом. Количество азотоводородной смеси, которое должно быть выведено из цикла при производстве 1 т. аммиака (без учета растворения инертных газов в жидком аммиаке), составляет:

Для удаления инертных газов иногда прибегают также к промыванию газа растворителями.

Смена катализатора

Катализатор в результате реакции не изменяется химически, но практически он “стареет” в процессе работы, активность его понижается и, в конце концов, приходится его заменять. В большинстве технических процессов на весовую единицу катализатора за срок его службы получаются тысячи весовых единиц продукта.

Явление “старения” может быть объяснено действием ядов и изменением поверхности катализатора. Так, например, восстановленное металлическое железо является активным катализатором для реакции синтеза аммиака. Однако по прошествии незначительного срока работы при 400 -- 500° его активность быстро падает. Это явление можно поставить в связь с изменениями, наблюдаемыми рентгенографическими методами и показывающими, что в процессе работы произошли оплавление поверхности и рост крупных кристаллов.

“Старение” катализатора неизбежно, но длительность службы его е большой степени зависит от режима эксплуатации. Так, для катализатора с развитой поверхностью очень вреден нагрев его выше определенной температуры, приводящий обыкновенно к значительному понижению активности.

При хорошей очистке азотоводородной смеси и при соблюдении технологического режима смена катализатора производится в зависимости от системы синтеза через один, два года.

Обслуживание установок синтеза

Синтез аммиака относится к категории опасных производств. Иногда малейшая неправильность действий эксплуатационного или ремонтного персонала может привести к не непоправимым последствиям.

Поэтому вопросам, связанным с пуском, поддерживанием нормального технологического режима устранением аварий, необходимо уделять серьезное внимание.

Пуск установок. Перед пуском вновь смонтированного агрегата производится его тщательный осмотр и проверка технической документации. При полном соответствии состояния установки правилам Госгортехнадзор и получении разрешении на ее пуск приступают к подготовительным операциям - загрузке колонны катализатором, зарядке фильтров. Затем включают контрольно-измерительные приборы, вентили устанавливаю в положение, соответствующее проведению последующих операций. Из системы удаляют воздух путем продувки агрегата азотом или газом. После этого проводится опрессовка аппаратуры и коммуникаций, лучше всего азотом. Давление при опрессовке повышают до рабочего ступенчато ( по 50 ат) .При отсутствии неплотностей или других дефектов снимают заглушки ,отсоединяющие агрегаты от остальной системы ,и заменяют продувочный газ чистой азото-водородной смесью.

При давлении 40--50 ат. включают циркуляционный компрессор, подают воду в первичный конденсатор и подключают к электросети электрический подогреватель. Для предохранения деталей насадки колонн от повреждений скорость повышения температур в зоне катализа ограничивают 20--30 °С за 1 ч.

Восстановление катализатора начинается, когда температура в колонне достигнет 280--300°С и в циркуляционном газе появится аммиак. Содержание МН₃ постепенно возрастает, в результате этого в сепараторе начинает отделяться уже не чистая вода, а содержащая аммиак.

На 3--4-е сутки давление в агрегате повышают до 100 ат. К этому времени, благодаря тому, что температура катализатора поддерживается на определенном уровне уже не только за счет электроподогрева, но и вследствие выделения тепла реакции синтеза, в агрегате удается создать довольно интенсивную циркуляцию газа. На 5--6-е сутки содержание аммиака в сливаемом конденсате возрастает до 96--97%, температура в колоннах достигает рабочей величины (460--500 °С в «горячей точке») и колонна выводится на рабочий автотермический режим. По мере включения колонны в нормальную работу вся аппаратура агрегата также переводится па рабочий режим.

Поддержание нормального технологического режима. Показатели работы каждого аппарата строго регламентируются нормами технологического режима (стр. 289, 291). Температура в «горячей точке» должна быть не ниже 460 °С (при более низких температурах процесс перестает быть .устойчивым) и не выше 530°С (во избежание перегрева катализатора). Температуру на выходе газа из колонны поддерживают не выше 200°С, чтобы выходной трубопровод не подвергался водородной коррозии*.

На установках с трубопроводами горячего газа, изготовленными из стали специальных марок, температура газовой смеси, выходящей из колонн синтеза, может составлять 250°С.

Наиболее сложно регулирование режима работы колонны синтеза. Оно производится в основном по температуре «горячей точки», т. е. наиболее нагретой зоны катализатора.

С увеличением объемной скорости температура в зоне реакции снижается, уменьшение объемной скорости приводит к противоположным.

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

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

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

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

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

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

Для автоматического регулирования используется наиболее распространенная в настоящее время пневматическая унифицированная система. Каждый узел регулирования состоит из датчика, преобразующего контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего преобразования в соответствующий импульс; регулятора, состоящего из одного или нескольких блоков, обеспечивающих поддержание заданного закона регулирования технологического параметра; вторичного прибора (самопишущего или показывающего) с встроенным датчиком и* переключателем; исполнительного механизма -- регулирующего клапана с пневмо-приводом или другого устройства. Общий принцип действия системы можно пояснить на примере автоматического регулирования температуры в колонне синтеза.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Аварии могут возникать, кроме того, при нарушении режима работы циркуляционных нагнетателей.

Увеличение сверх 30 ат. перепада давления между всасывающей и нагнетательной линиями может привести к обрыву штоков в поршневых машинах, к сдвигу вала и разрушению подшипников циркуляционных нагнетателей. При возрастании перепада нагрузка нагнетателей должна быть немедленно снижена.

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

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

Насадки колонн синтеза

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

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

1. Трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа, подразделяемые на противоточные, в которых потоки газа в теплообменных трубках и в слое катализатора имеют встречное направление, и прямоточные (обычно с двойными теплообменными трубками), в которых потоки газа движутся в трубках и в слое катализатора параллельно друг другу.

2. Полочные насадки с катализатором, загруженным сплошным слоем на полки, и подводом холодного газа в пространство между полками.

Известны также многочисленные варианты конструкции насадок, являющихся комбинациями перечисленных выше типов

12).Производительность колонн во многом зависит от конструкции их насадок, совершенство которых оценивается простотой и надежностью работы, а также возможностью создания наиболее благоприятного температурного режима синтеза аммиака.

В идеальном случае распределение температур по высоте слоя

Противоточная насадка. Прямоточная насадка (здесь и на рис. VI-!! --VI-13 справа - с двойными теплообменными трубками изображены графики распределения температур в катализаторной коробке):

катализатора должно соответствовать оптимальной температурной кривой. Для обеспечения оптимального режима должно быть правильно определено соотношение размеров предварительного теплообменника и катализаторной коробки и организован отвод тепла из зоны реакции таким об-разом, чтобы исключалась возможность, как перегрева, так и переохлаждения катализатора.

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

'380 Ш 500 500°С

№лдднь№ байлас

байпас

Вертикальные водяные холодильники-конденсаторы состоят из пучка согнутых в спирали труб высокого давления, помещенных в стальной цилиндрический кожух; концы труб в вальцованы в распределительные камеры.

Газ движется по змеевикам сверху вниз, вода проходит в кожухе противотоком газу. В зависимости от производительности агрегатов синтеза аммиака охлаждающая поверхность таких конденсаторов составляет 150--200 л².

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

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

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

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

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

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

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

Сепараторы и фильтры

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

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

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

Отделение капель жидкости от газа происходит под действием силы тяжести, изменения направления и скорости газового потока.

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

Циркуляционные нагнетатели

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы контрольно-измерительных приборов

Измерение температуры

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