Спосіб виділення інертних газів з рідкого аміаку

Спосіб виділення інертних газів, розчинених в рідкому аміаку, шля хом віддувки частини циркуляційного газу, виділення рідкого аміаку, дроселювання потоку рідкого аміаку в існуючому розширювачі до тиску 1,4-1,6МПа з виділенням танкових газів, охолоджування останніх в підігрівачі танкових газів потоком холодоадогенту - рідкого аміаку, часткової конденсації і сепарації на газову і рідку фракції, вилучення аміаку, що сконденсувався, і відведення його як товарного продукту, який відрізняється тим, що виділення інертних газів з продукційного аміаку здійснюють в дві стадії, заздалегідь дроселюючи потік аміаку в додатковому розширювачі з робочого тиску синтезу аміаку 2327МПа до тиску 4-4,5МПа, виділену газоподібну фракцію на першій стадії розділення відводять в підігрітому стані на первинний риформінг для повторного використання в циклі, а виділену рідку фракцію подають на існуючу стадію виділення інертних газів під тиском 1,4-1,6МПа. UA (21) a200613142 (22) 12.12.2006 (24) 27.10.2008 (46) 27.10.2008, Бюл.№ 20, 2008 р. (72) ЯНКОВСЬКИЙ МИКОЛА АНДРІЙОВИЧ, UA, СТЕПАНОВ ВАЛЕРІЙ АНДРІЙОВИЧ, UA, ТИТОВ ВІКТОР МИКОЛАЙОВИЧ, U A, МОКРЕНЕЦ МИХАЙЛО ГРИГОРОВИЧ, U A (73) ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "КОНЦЕРН СТИРОЛ", U A (56) US 4255406 A, 10.03.1981 UA 44018 A, 15.01.2002 US 4312851 A, 26.01.1982 EP 0282165 A1, 14.09.1988 US 4058589 A, 15.11.1977 US 2993342 A, 25.07.1961 Головко Г.А. Криогенное производство инертных газов . - Л. : Ма шиностроение. Ленинградское отделение, 1983. - С.359 - 364. Демиденко И.М., Янковский Н.А. и др. Аммиак. Вопросы технологии. Под общей редакцией Н.А. C2 2 (19) 1 3 84473 ного адсорбенту і в зв'язку з тр уднощами конструктивного виконання безперервного процесу при високому тиску. На сучасних установках інертні гази відокремлюють з аміаку головним чином виморожуванням. Газ охолоджують аміаком, що випаровується при низькому тиску. Відоме велике число різних технологічних схем розділення продувних газів з використанням методів криогенної техніки [2. Байчток Ю.К. і ін. Методи виділення інертів. Оглядова інформація, Москва, ОНТІДІАВ, 1968р, с 35]. Застосуванню цих методів сприяє значна різниця в температурах кипіння компонентів газової суміші. Процеси вилучення водню з продувних газівабсорбційний, криогенний - мають ряд істотних недоліків (перш за все великі капітальні і експлуатаційні витрати) і, окрім процесу низькотемпературної ректифікації, не знайшли широкого застосування. Відомий спосіб виділення інертних газів шляхом глибокого охолоджування газів, які розділяються, в теплообмінних апаратах потоками холодоагенту - рідкого аміаку, який виходить з розширювальної судини з температурою нижче температури затвердіння аміаку при заданому тиску і наступній сепарації газів на мембранних розподільниках, вилучення рідкого аміаку і відводу його в якості товарного продукту. Для глибокого охолоджування використовують додаткове зовнішнє джерело холоду: водневий холодильний цикл [3. Головко Г.А. Криогенне виробництво інертних газів, Ленінград, Машинобудування, 1983р, с.359364]. Недоліком відомого вирішення є низька економічність через використання з метою досягнення низких температур для конденсації аміаку низькотемпературного циклу, що спричиняє за собою збільшення капітальних і енергетичних витрат. Абсолютно нові перспективи в цій області відкрилися з розробкою мембранних методів розділення газів [4. Дитнерській Ю.І., Бриков В.П., Каграманов Г.Г., Мембранне розділення газів. M.: Хімія, 1991p.]. Процес виділення водню пропонували проводити за допомогою металевих мембран на основі сплаву паладію в одну або дві ступіні при температурах від 673°K до 900°K. Ступінь регенерації водню досягає 90% (одноступінчате розділення при тиску вихідного газу 15МПа.) Одноко в промисловості металеві мембрани на основі паладію і його сплавів використовуються рідко, в основному із-за дефіцитності і високої вартості мембран, необоротного «отруєння» паладію, необхідності підтримки високих температур. Найбільш простим і распостраненным способом виділення інертних газів з циклу синтезу аміаку є отдувка частині циркуляційного газу. Частина циркуляційного газу після сепаратора відбирається у вигляді продувних газів з метою підтримки сумарної концентрації інертов (CH4+Ar) на вході в колону синтезу на рівні 13,6%. Відомий спосіб виділення інертних газів, розчинених в рідкому аміаку, шляхом отдувки частини циркуляційного газу, виділення з нього рідкого 4 аміаку, дроселювання потоку рідкого аміаку в розширювачі з виділенням танкових газів, охолоджування останніх в підігрівачі танкових газів потоком холодоагента - рідкого аміаку, часткової конденсації і сепарації на газову і рідку фракції, вилучення аміаку, що сконденсувався, і відведення його в якості товарного продукту, подачею очищеного циркуляційного газу на компресор [5. Деміденко И.М., Янковській М.А., Степанов В.А. і ін., Аміак. Питання технології, під загальною редакцією М.А. Янковського, м. Горлівка, ВАТ «Концерн Стирол», 2001р., с.447-454]. Виділення інертних газів здійснюють шляхом одноступінчатого дроселювання потоку аміаку в розширювачі з робочого тиску синтеза аміака 24-27МПа до тиску 1,4-1,6МПа. Танкові гази з розширювача проходять через холодильник танкових газів, охолоджуються до -23°C і рідкий аміак прямує в систему захолоджування, що включає аміачний компресор. Газоподібний аміак відкачується компресором абсорбційно холодильної установки з розширювальних судин, охолоджується і подається в ізотермічне сховище. Пройшовши через сепаратор продувальні гази поступають на спалювання в паливну систему. При тривалій роботі відділення синтезу аміаку і напруженого режиму роботи його устаткування погіршує свої експлуатаційні характеристики. Вміст аміаку в продувних газах, які надходять на мембранні розділювачі після теплообмінника танкових газів, досягає величини 4%-6% (при нормі не більше 4,0%). Після теплообмінного апарату для танкових газів зміст аміаку також залишається високим: 14% (при нормі не більше 9,5%). Висока концентрація газоподібного аміаку у продувному газі, який надходить на мембранні розділювачі установки імпортного постачання "MEDAL", навіть в межах регламентних норм знижує ефективність роботи мембранних розділювачів, приводить до втрати аміаку з продувними і танковими газами, забрудненню навколишнього середовища. Недоліками відомого способу є досить великі втрати водню H2 (вміст якого в інертних газах до 60%) з газовою фазою через низький ступінь утилізації аміаку з продувних і танкових газів, низька ефективність роботи сепараційних пристроїв, що в цілому знижує економічність процесу синтезу аміаку з природного газу. Високе навантаження на компресори синтезгаза і аміаку через присутності великого об'єму інертних газів позначається на ефективності їх роботи. Для глибшого охолоджування потоку аміаку та забезпечення необхідного теплознімання буде потрібно збільшення габаритів теплообмінників (висока металоємність) або підвищена витрата охолоджую чого агента, що призведе до збільшення подач газоподібного аміаку з теплообмінних апаратів на аміачний компресор і до дестабілізації його роботи. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу виділення інертних газів, розчинених в рідкому аміаку в якому виділення інертних газів з продукційного аміаку здійснюють в дві стадії, першу - при дроселюванні аміаку з робочого тиску синтезу аміаку (23-27МПа) до тиску 44,5МПа і другу - при розширенні його до тиску 5 84473 1,58МПа, створюючи тим самим сприятливий термодинамічний режим роботи системи поділу, що забезпечує глибоке вилучення аміаку з продувних газів, збільшення виходу готового продукту, використовуючи виділені інертні гази в процесі синтезу аміаку, підвищуючи його економічність, знижуючи навантаження на компресори. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виділення інертних газів, розчинених в продукційному рідкому аміаку, шля хом отдувки частини циркуляційного газу, виділення рідкого аміаку, його дроселювання в існуючому розширювачі до тиску 1,4-1,6МПа з виділенням танкових газів, охолоджування останніх в підігрівнику танкових газів потоком холодоагенту - рідкого аміаку, часткової конденсації і сепарації на газову і рідку фракції, вилучення аміаку, що сконденсувався, і відводу його в якості товарного продукту, згідно з винаходом, виділення інертних газів з продукційного аміаку здійснюють в дві стадії, попередньо дроселюючи потік аміаку в додатковому (проміжному) розширювачі з робочого тиску синтезу аміаку до тиску 4-4,5МПа, при цьому виділену газоподібну фракцію після першої стадії розділення відводять в підігрітому стані на технологію в первинний риформінг для повторного використання в циклі, а виділену рідку фракцію подають на існуючу стадію виділення інертних газів під тиском 1,41,6МПа. Запропонований спосіб має перевагу перед аналогами, оскільки не вимагає додаткового низькопотенційного холодильного циклу, що приводить до зниження капітальних і енергетичних витрат на розділення газу, не вимагає трудомістких операцій, простий в експлуатації і в управлінні. Використання способу із застосуванням додаткової стадії дроселювання рідкого аміаку в проміжномурозширювачі з робочого тиску синтезу аміаку 23-27МПа до тиску 4-4,5МПа дозволить виділити інертні гази: метан, азот, водень, аргон і газоподібний аміак, забезпечити глибшу конденсацію аміаку в продувних і танкових газах, досягти залишкового змісту аміаку, який відповідає технологічному регламенту установки: 1,8% в продувних газах і 9,5% в танкових газах, збільшити продуктивність процесу на 5-7% і, таким чином підвищити ефективність установки. Технічний результат рішення поставленої задачі полягає в тому, що сепарацію на газоподібну і рідку фази проводять в дві стадії, після кожного ступеня охолоджування з відведенням одержаної рідкої фракції, одержуючи чистіший склад виділених рідких фракцій, що забезпечує високу якість одержуваних продуктів і знижується кількість домішок в них. Тиск на першій (додаткової) стадії виділення інертних газів в діапазоні 4-4,5МПа вибране виходячи із забезпечення оптимального тиску газоподібної фракції (4МПа), що дозволяє направити цю фракцію безпосередньо в первинний риформінг без використання додаткового компресора. Заявлений діапазон тиску в розширювачах дозволяє оптимізувати процес виморозки аміаку з газів, що розділяються, виключити надмірне їх 6 переохолодження, що приводить до перевитрати енергоносіїв. Використання двох стадій розширення потоку аміаку при різному тиску збільшує діапазон температур холодоагенту, додає гнучкість роботі теплообмінних апаратів (підігрівача танкових газів, випарника рідкого аміаку), дозволяє створити економічний температурний режим виморозки аміаку в широкому діапазоні його концентрацій в газі, який розділяється. Об'єм газу, який необхідно видаляти з циклу для збереження постійного змісту інертних газів в циркуляційному газі, визначається по матеріальному балансу: кількість інертних газів, що вводяться в цикл з свіжим аміаком повинно дорівнювати кількості інертних газів, що виводяться з циклу продукційним рідким аміаком і продувними газами. Якщо понизити вміст інертних газів в циклі до 3,2% про., то інтенсивність процесу синтезу підвищується, але різко зростуть втрати азоту і водню. При високому вмісті інертних газів в циклі витратний коефіцієнт по свіжому газу скоротиться, але падає продуктивність системи. Здійснення способу поза пропонованими межами розширення тиску погіршує показники процесу. У разі, коли тиск вибраний вище 4,5МПа забезпечується високий ступінь утилізації аміаку з газів, що розділяються, але при цьому знизиться економічність процесу. Коли тиск в розширювачі нижче 4,0МПа - подача виділеної газоподібної фракції безпосередньо в первинний риформінг без додаткового компресора скрутна із-за високого тиску 41-45МПа, крім того, залишковий вміст аміаку в газах, що розділяються, залишається високим. Подача потоку залишкового газу того, який містить метан, азот, водень і аргон у первинний приформінг дозволяє повторно використовувати вказані гази для потреб технології, зменшуючи забір природного газу на процес синтезу аміаку, або збільшуючи вироблення аміаку без зниження забору природного газу. Забезпечує зниження енергоспоживання агрегату. Вибраний тиск на першій стадії виділення інертних газів дає можливість подати відокремлені інертні гази на конверсію метану (1 ступінь риформінга) без використання компресора. Відсутність в установці на першій стадії компресора для підвищення тиску інертного газу спрощує спосіб, полегшує і здешевлює його обслуговування. Впровадження ефективного методу переробки продувних газів циклу синтезу аміаку значно підвищує економічність виробництва аміаку. Знизиться навантаження на компресори захолоджування синтезгаза і газоподібного аміаку абсорбційно холодильної установки, стабілізуєтся його робота. На кресленні показана схема установки для реалізації пропонованого способу. Установка виділення інертних газів з рідкого аміаку містить первинний аміачний сепаратор 1, вторинний існуючий аміачний сепаратор 2, сепаратор продувних газів 3, додатковий розширювач рідкого аміаку 4, сполучений лінією 5 з підігрівачем 7 84473 танкових газів 6, випарник рідкого аміаку 7, сепаратор 8, збірник II ступіні випарювання 9, холодильник танкових газів 10, розширювач рідкого аміаку 11, лінію подачі підігрітих танкових газів 12 у технологічний процес на первинний риформінг. Спосіб здійснюється таким чином. Для реалізації способу по видаленню горючих і інертних газів з рідкого аміаку з метою їх повного використання встановлюється проміжний розширювач рідкого аміаку 4, сепаратор 8, випарник рідкого аміаку 7, підігрівач танкових газів 6. Рідкий аміак після сепараторів 1, 2, 3 подається в розширювач 4. Регуляторами підтримується тиск після клапанів 4,0-4,5МПа. При розширення аміаку в розширювачі 4 відбувається дроселювання аміаку з робочого тиску синтезу аміаку 23-27МПа до тиску 4,5МПа з виділенням розчинних в ньому інертних газів - метану, азоту, водню і аргону і газоподібного аміаку. Температура в розширювачі складає 14-18°C. Танкові гази з t=14-18°C поступають в трубний простір випарника 7, де охолоджується до температури мінус 23°C за рахунок випарювання рідкого аміаку в міжтрубному просторі при t = - 33°C Аміак, що сконденсувався при цьому тиску, відділяється від танкових газів в сепараторі 8. 8 Після сепаратора 8 танкові гази підігріваються в підігрівані 6 до температури -10-12°C, а потім прямують або під тиском 4,0МПа на технологічний процес в піч первинного риформінга для повторного використання в циклі. Рідкий аміак, що звільнився від інертних газів, з розширювача 4 і сепаратора 8 поступає по існуючій лінії в розширювач (збірник) рідкого аміаку 11 під тиском 1,6-1,7МПа. Із розширювача рідкого аміаку 11 аміак прямує на стадію захолоджування аміаку і надалі на видачу в ізотермічне сховище. Приклад здійснення способу На двох агрегата х синтезу аміаку фірми «СLЕ»-Франция спроектована і упроваджена установка для виділення інертних газів з продукційного аміаку. Потужність установки Кількість танкових газів 1100нм 3/годину В т.ч. H2 - 555нм 3/годину CH4 - 215нм 3/годину N2 155нм 3/годину NH3 - 50нм 3/годину У таблиці приведена характеристика початкової сировини: рідкий аміак на вході в розширювач за регламентом і вміст інертів в аміаку на стадіях їх відділення в схемі. Таблиця Рідкий Танкові Рідкий Танкові Рідкий Рідкий аміак із Танкові гази на Рідкий аміак Танкові гази з гази з аміак із аміак з сепараКомпоненти аміак в гази після технолов існуючий розши- росширювача підігрівсепара- розширю- тора випарника гічний розширювач після рювач ника вача процес тора клапана N2,% вес 0,38 11,05 11,05 11,05 13,88 0,02 0,06 0,02 0,05 Ar, % вес 0,34 5,82 5,82 5,82 7,32 0,06 0,09 0,05 0,10 H2,% вес 0,10 41,57 41,57 41,57 52,51 0,01 0,01 0,02 СН4,% вес 0,54 17,06 17,06 17,06 21,39 0,16 0,02 0,16 0,25 NH3, % вес 98,61 24,5 24,5 24,5 5,2 99,76 99,55 99,76 99,55 H2O % вес 0,03 Разом 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Температура, 18,7 18,65 9,7 -23 12-18 -23 18,65 -22 18,46 °C Тиск, МПа 4,0-4-5 4,0 3,998 3,896 3,896 3,896 4,0 1,711 1,711 При впровадженні установки досягнуто зниження енергоспоживання на кожному агрегаті 0,057Гкал/тн NH3, додаткове вироблення аміаку 0,64т/годину. Упроваджена установка є енергозбережною. У виробництві аміаку природний газ використовується як технологічна сировина для синтезу аміаку і як паливний газ. Установка отдувки інертів під тиском 4,5МПа зменшує споживання природного газу як паливний газ в печі первинного риформінга при паровій конверсії природного газу, використовуваного як технологічна сировина для синтезу аміаку. За рахунок повнішого виділення аміаку з танкових газів, збільшується потужність агрегату на 0,64т/годину рідкого аміаку. При цьому річна економія природного газу складе 1270 х 0,64 х 8040 = 6 534 912нм 3. Де, 1270 - витратний коефіцієнт по природному газу, нм 3/годину. 0,64 - вилучений рідкий аміак, т/годину. Забезпечується зниження енергоємністі агрегату на 0,06Гкал/т NH3. Стабілізуєтся робота компресорів синтезгазу і аміаку . Термін окупності складає орієнтовно 0,9 роки. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84473 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601