Спосіб та установка для одержання аміаку із синтез-газу

Даний винахід у цілому відноситься до способу та установки для одержання аміаку в результаті каталітичної реакції синтез-газу, що містить водень та азот, попередньо стисненого у відповідному дво- або багатоступеневому компресорі. Винахід відноситься до, зокрема, способу згаданого вище типу з очисткою синтез-газу від води та діоксиду вуглецю, що міститься в ньому, з використанням проміжного ступеня компресора. Більш конкретно даний винахід відноситься до способу описаного вище типу, у якому синтез-газ, що виходить з певного ступеня компресора, збирають, очищають і охолоджують до певної температури шляхом промивання по суті збезводнений рідким аміаком, а потім знову подають у відповідний ступінь компресора та після стиснення збирають для наступного використання. Відомо, що останнім часом дуже велика увага приділяється створенню нових установок і розробці нових способів одержання аміаку, які повинні істотно знизити об'єм інвестицій та експлуатаційні витрати, пов'язані насамперед із споживанням енергії. Відомо також, що оптимізація всього процесу одержання аміаку вимагає в першу чергу вирішення проблем, що виникають при подачі синтез-газу в реактор, характеристики якого в значній мірі залежать від вмісту аміаку в газі, що подають в аміачний конвертер, і від його чистоти, зокрема від кількості оксидних сполук типу Н2О та СО2 , що містяться в газі (що складається з вихідного аміаку та рециркулюючого газу), які навіть у невеликій кількості істотно знижують ефективність реактора. Найбільш широко відомі способи очистки газу, що подається в реактор, від таких "домішок" засновані на промиванні та різкому протитечійному охолодженні синтез-газу рециркулюючим рідким аміаком. Однак такий спосіб очистки газу, що подається в реактор, пов'язаний з високими експлуатаційними витратами та витратами засобів, супроводжується повторною конденсацією аміаку, що випаровується при цьому, та вимагає наступного нагрівання очищеного газу до певної температури, при якій він повинен подаватися в реактор. Для зменшення витрати енергії звичайно використовують системи очистки газу з молекулярними ситами, застосування яких, незважаючи на їх високу е фективність, пов'язане з винятково високими експлуатаційними витратами та вимагає великих капіталовкладень. Порівняно недавно був запропонований інший спосіб промивання синтез-газу рідким аміаком, відповідно до якого промивання газу виконують між першим та другим ступенями двоступеневого компресора, який використовується для стиснення газу (що підвищує тиск газу на вході в реактор до 80-150 бар) або між другим та третім ступенями триступеневого компресора (що підвищує тиск газу на вході в реактор до 150-250 бар). Звичайно ці ступені компресора називають ступенями стиснення "свіжого" синтез-газу, за якими розташований останній ступінь стиснення, який називають рециркуляційним ступенем, оскільки він використовується не тільки для стиснення свіжого газу, але й для стиснення та подачі в реактор рециркулюючих газів, що не вступили в реакцію в секції синтезу. Один з таких способів очистки описаний, зокрема, у [заявці WO 01/66465], відповідно до якої для очистки газу використовують тарілчасту колону, через яку в протитечії безупинно пропускають рідкий аміак і стиснений у першому ступені компресора синтез-газ, що після очистки прямо попадає в другий ступінь того ж самого компресора. При всіх своїх безсумнівних достоїнства х запропонований у зазначеній заявці спосіб очистки має й певні недоліки. По-перше, очистка синтез-газу в промивальній колоні супроводжується певними втратами тиску газу. Очевидно, що компенсація цих втрат та підвищення тиску промитого в тарілчастій колоні газу вимагає відповідного збільшення потужності компресора та додаткової витрати енергії. Крім того, при очистці таким способом відбувається випаровування використовуваного для промивання газу рідкого аміаку, пара якого залишається в потоці синтез-газу та неминуче попадає у реактор, знижуючи його конверсійний вихід. При зменшенні конверсійного виходу реактора збільшується кількість речовин, що не вступили в реакцію, які необхідно відокремити від одержаного в реакторі аміаку та знову повернути в реактор, збільшивши тим самим навантаження на відповідні секції установки та енергію, що споживається ними. В основу даного винаходу було покладено завдання розробити новий спосіб одержання аміаку із синтезгазу з системою очистки, що має певні функціональні характеристики, які дозволяють усун ути перераховані вище недоліки відомих способів та, зокрема, істотно знизити в порівнянні з ними кількість енергії, що споживається. Це завдання вирішується за допомогою пропонованого у винаході способу одержання аміаку шля хом каталітичної реакції синтез-газу, стисненого у відповідному багатоступеневому компресорі, кожен ступінь якого має вхід та ви хід для синтез-газу, при здійсненні якого синтез-газ очищають рідким аміаком від води та діоксиду вуглецю, що містяться в ньому, і який відрізняється тим, що при очистці синтез-газу від води використовують газорідинний змішувач, що з'єднаний з однієї сторони з виходом першого, або проміжного, ступеня компресора, а з іншої сторони - із входом ступеня, що розташований за першим ступенем, або проміжного ступеня, і має ділянку певної довжини в осьовому напрямку із поперечним перерізом, що зменшується, у цей змішувач в осьовому напрямку в прямотечії подають потік синтез-газу, що відбирають з першого, або проміжного, ступеня, та потік рідкого аміаку, виділяють по суті збезводнений синтез-газ із суміші, що виходить зі змішувача, ци х потоків і направляють збезводнений синтез-газ у ступінь, розташований за першим, або проміжним, ступенем. У кращому варіанті до подачі в змішувач потік синтез-газу охолоджують до температури в межах від +8 до -20°С. Ці та інші відмітні риси та переваги пропонованого у винаході способу більш докладно розглянуті нижче на прикладі, що не обмежує обсяг винаходу, одного з варіантів його можливого здійснення з посиланням на прикладені креслення. Стислий опис креслень На прикладених до опису кресленнях показано: на Фіг.1 - схема установки з устаткуванням для стиснення та очистки синтез-газу, призначеного для одержання аміаку пропонованим у винаході способом, та на Фіг.2 - схематичне збільшене зображення в поперечному перерізі одного з елементів показаної на Фіг.1 установки, призначеної для одержання аміаку пропонованим у винаході способом. Кращий варіант здійснення винаходу Показана на кресленнях та позначена буквою Р установка, призначена для одержання аміаку пропонованим у винаході способом, має багатоступеневий компресор, що умовно зображений у вигляді двох сусідніх ступенів 1 та 2, розташованих на загальній поздовжній осі А. У кращому (але, що не обмежує обсяг винаходу) варіанті для стиснення синтез-газу використовується двоступеневий компресор, перший ступінь якого є ступенем стиснення свіжого газу, а останній - рециркуляційним ступенем, у якому крім свіжого газу стискаються і рециркулюючі гази, що не вступили в реакцію. Перший ступінь 1 компресора має вхід 1а (усмоктувальний патрубок), з'єднаний трубопроводом 4 з джерелом 3 синтез-газу, та вихід 1b (нагнітальний патрубок), з'єднаний трубопроводом 6 через охолоджувач 7 з першим газорідинним сепаратором 5. Другий ступінь 2 компресора має перший вхід 2а, з'єднаний трубопроводом 9 з верхньою частиною 8а другого газорідинного сепаратора 8, та другий вхід 2b, з'єднаний трубопроводом 11 через охолоджувач 12 з верхньою частиною 10а третього газорідинного сепаратора 10. Вихід 2с др угого ступеня 2 компресора з'єднаний трубопроводом 14 через охолоджувач 15 з верхньою частиною 13а реактора 13 синтезу аміаку. Відмітною особливістю пропонованої у винаході установки для одержання аміаку, схема якої показана на Фіг.1, є наявність змішувача 16, з'єднаного з однієї сторони трубопроводом 17 з сепаратором 8, а з іншої сторони - трубопроводом 18 через охолоджувач 19 з верхньою частиною 5а сепаратора 5. Слід підкреслити, що в розглянутому варіанті із двоступеневим компресором, призначеним для стиснення синтез-газу, пропонований у винаході змішувач 16 розташований між першим та другим ступенями компресора. Крім того, змішувач 16 бажано повинен бути розташований по суті горизонтально та паралельно до основи установки Р. Стиснений у першому ступені 1 компресора синтез-газ проходить через охолоджувач 7 у сепаратор 5, у якому від газу відокремлюють більшу частину води, що міститься в ньому, яку зливають із сепаратора по трубопроводу 20. Збезводнений у сепараторі потік синтез-газу направляють в охолоджувач 19. На вході в о холоджувач 19 до потоку збезводненого синтез-газу при невеликій витраті по зворотному трубопроводі 21 додають (стиснений) рідкий аміак, що відбирають із виходу сепаратора 10. Наявність у синтез-газі рідкого аміаку перешкоджає його замерзанню при охолодженні до низької температури в охолоджувачі 19. Кількість рідкого аміаку, що додається до синтез-газу, вибирають із таким розрахунком, щоб після охолодження концентрація аміаку в рідкій фазі, що складається з аміаку та води, становила від 25 до 50%. Охолоджений в охолоджувачі 19 до температури в інтервалі від +8 до -20°С синтез-газ подають в осьовому напрямку в змішувач 16. Одночасно із синтез-газом у змішувач по трубопроводу 21а подають (інжектують) (стиснений) рідкий аміак, витрата якого повинна забезпечувати ефективне "промивання" газу та видалення з нього всієї води, що залишається в ньому. Рідкий аміак подають у змішувач по тр убопроводу 21а із згаданого вище зворотного трубопроводу 21. Потік рідкого аміаку із трубопроводу 21а слід подавати в змішувач 16 коаксіально та у прямотечії із синтезгазом. При цьому температура синтез-газу знижується переважно до температури, що лежить в інтервалі від 20 до -27°С. Відмітною особливістю пропонованого у винаході змішувача 16 є наявність у ньому ділянки 16а певної довжини із поперечним перерізом, що зменшується (конфузора). У конфузорі 16а (зоні перемішування) потік рідкого аміаку та газоподібні реагенти прискорюються та перемішуються між собою. Пропонований у винаході змішувач має розташовану за конфузором 16а ділянку 16b певної довжини з постійним поперечним перерізом, у якій відбувається вирівнювання швидкостей перемішаних один з одним потоків рідкого аміаку та газ у. За ділянкою 16b розташована третя ділянка 16с певної довжини з поперечним перерізом, що збільшується (дифузор), у якій швидкість перемішаних між собою потоків рідкого аміаку та газ у поступово падає. Найбільш ефективна очистка газоподібних реагентів відбувається в тому випадку, коли перша ділянка 16а змішувача має залежно від умов роботи довжину від 0,5 до 1м. При цьому друга ділянка 16b з постійним поперечним перерізом повинна мати довжину від 0,6 до 1,0м. У найбільш кращому варіанті, показаному на Фіг.2, потік рідкого аміаку подають у змішувач 16 через відповідне розташоване усередині першої ділянки 16а змішувача розподільне сопло 23, з'єднане із трубопроводом 21а. Трубопровід 21а у свою чергу проходить всередині з'єднаної з переднім кінцем першої ділянки 16а змішувача тр убопроводу 18, по якому в змішувач подають газоподібні реагенти. На кінці 23а сопла 23 є відповідні отвори або щілини (не показані на кресленні) певного розміру, що формують на виході із сопла велику кількість струменів рідкого аміаку, які мають високу швидкість. Розташоване на вході в змішувач сопло 23 дозволяє використовувати тиск рідкого аміаку в зворотному трубопроводі 21 для формування в змішувачі стр уменів рідини, що мають високу швидкість, що забезпечують ефективне промивання та одночасне стиснення потоку газоподібних реагентів усередині змішувача 16. Пропонований у винаході відповідним чином виконаний змішувач дозволяє не тільки зменшити втрати тиску потоку газоподібних реагентів у процесі їх промивання (очистки) рідким аміаком, але й збільшує тиск потоку газоподібних реагентів, знижуючи тим самим у порівнянні зі звичайними способами одержання аміаку витрату енергії, що споживається компресором при наступному стисненні очищеного від "домішок" синтезгазу. У сепараторі 8 рідкий аміак та вода відокремлюються від синтез-газу та зливаються в трубопровід 22, а збезводнений синтез-газ, що виходить з верхньої частини 8а сепаратора, при температурі в інтервалі від -20 до -27°С подається на вхід 2а другого ступеня 2 компресора. Подача газу в др угий ступінь компресора, охолодженого до настільки низької температури, дозволяє істотно знизити кількість енергії, що споживається компресором, та відповідно підвищити його ефективність. Крім того, наявність на установці розташованого перед змішувачем 16 охолоджувача 19, що помітно знижує температуру синтез-газу, що проходить через нього, дозволяє зменшити кількість рідкого аміаку в синтез-газі, що випаровується, та знизити кількість енергії, що споживається компресором на стиснення газу, та підвищити, в порівнянні з існуючими реакторами, конверсійний вихід реактора синтезу з усіма перевагами, що випливають звідси. Стиснений до певного тиску в др угому ступені компресора синтез-газ після підігріву в нагрівані 15 подають у реактор 13 синтезу. Відібрану з реактора 13 газоподібну суміш, що складається з аміаку та газів, що не вступили в реакцію, охолоджують в охолоджувача х 15 та 12 і подають у сепаратор 10. Відділений у сепараторі від газів рідкий аміак подають для зберігання у відповідну ємність, а гази, що відходять з верхньої частини 10а сепаратора, повертають у др угий ступінь 2 компресора. Розглянутий вище кращий варіант здійснення винаходу не виключає можливості внесення в нього різних змін та удосконалень, не виходячи при цьому за обсяг винаходу, що визначається його формулою.