Спосіб утилізації аміаку з продувних та танкових газів

1 Спосіб утилізації аміаку із продувних та танкових газів, шляхом глибокого охолодження газів, Винахід відноситься до способів розподілення газових сумішей, які відходять, ХІМІЧНОГО виробництва методом глибокого охолодження і може бути використаний у ХІМІЧНІЙ промисловості для отримання рідкого аміаку Відомий спосіб утилізації аміаку із продувних та танкових газів у циклі синтезу аміаку, в якому поряд із віддувкою частини циркуляційного газу можливі адсорбційні та абсорбційні методи виділення інертних газів В якості твердих сорбентів для виділення інертів використовують активоване вугілля, цеоліти марки СаА та ін [1 Волков А К, Азотная и кислородная промышленность N 2, М , ГИАП, 1964, с 8-16] Проте в промисловій практиці адсорбційний спосіб не знайшов застосування через відсутність ефективного адсорбенту і в зв'язку із трудностями конструктивного виконання безперервного процесу при високому тиску На сучасних установках аміак із продувних та танкових газів утилізують головним чином виморожуванням Газ охолоджують аміаком, який випарюється при низькому тиску Відома велика КІЛЬКІСТЬ різноманітних технологічних схем розподілення продувних газів із використанням методів криогенної техніки [2 Байч які розділяються, у теплообмінних апаратах потоками холодоагента-рідкого аміаку, який виходить із поширювального сосуда із температурою, яка нижче температури затвердіння аміаку (мінус 10мінус 12°С) при заданому тиску, частковою конденсацією і наступною сепарацією газів, вилученням рідкого аміаку і відводу його як товарного продукту, який відрізняється тим, що як холодоагент для вимороження аміаку в теплообмінних апаратах продувних і танкових газів використовують суміш потоків рідкого аміаку з температурою мінус 10°С - мінус 12 С і продукційного з температурою мінус 32°С - мінус 34°С 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що потоки аміаку з температурою мінус 10°С - мінус 12°С і продукційного з температурою мінус 32°С мінус 34°С беруть у співвідношенні 1,01,0-2,0 ток Ю К и др Методы выделения инертов Обзорная информация М, ОНТИ ГИАП, 1968 г, 35 с ] Застосуванню цих методів сприяє значна різниця в температурах кипіння компонентів газової суміші Розподілення продувних газів методами глибокого охолодження дозволяє знизити собівартість аміаку Відомий спосіб утилізації аміаку із продувних та танкових газів шляхом глибокого охолодження газів, які розділяються в теплообмінних апаратах потоками хладагента - рідкого аміаку, який виходить із поширювального сосуда 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 охолодження використовують додаткове зовнішнє джерело холоду водневий холодильний цикл [3 Головко Г А Криогенное производство инертных газов Л Машиностроение, 1983, С 359364] Недоліком відомого вирішення є низька економічність через використання з метою досягнення низьких температур для конденсації аміаку ни 00 о 44018 зькотемпературного циклу, що тягне за собою збільшення капітальних і енергетичних витрат Відомий спосіб утилізації аміаку із продувних і танкових газів шляхом глибокого охолодження газів, які розподіляються в теплообмінних апаратах потоками хладагента-рідкого аміаку, який виходить із розширюваної посудини з температурою нижче температури затвердіння аміаку (мінус 10 мінус 12°С) при заданому тиску, і наступній сепарації газів на мембранних розділювачах, вилучення рідкого аміаку та відводу його в якості товарного продукту [4 Постоянный технологический регламент N 68/87 Объединенного аммиачного завода Горловское ОАО "Концерн Стирол", г Горловка, 1999г, с 63] Конденсація аміаку із танкових і продувних газів відбувається в трубному просторі теплообмінних апаратів за рахунок холоду аміаку, який випаровується При виробництві аміаку в агрегатах імпортної поставки для конденсації аміаку із продувних газів в теплообмінних апаратах використовують рідкий аміак, який надходить із розширювача рідкого аміаку з температурою мінус 12°С і тиском 0,2МПа Недоліками даного способу є надто великі втрати цільового компонента із газовою фазою через низький ступінь утилізації аміаку із продувних і танкових газів, низька ефективність роботи сепараційних пристроїв, що в цілому знижує економічність процесу синтезу аміаку із природного газу При тривалій роботі відділення синтезу аміаку і напруженому режимі роботи, його обладнання погіршило свої експлуатаційні характеристики Вміст аміаку в продувних газах, які надходять на мембранні розділювачі після теплообмінника продувочних газів досягає значної величини 4% (при нормі не більше 1,8%) Після теплообмінного апарата для танкових газів вміст аміаку також залишається високим 14% (при нормі не більше 9,5%) При використанні в якості охолоджуючого агента аміаку з температурою мінус 10°С - мінус 12°С і тиском 0,2МПа в теплообмінних апаратах продувних і танкових газів створюється незадовільний температурний режим роботи, який не забезпечує високого ступеню конденсації аміаку із газів, які розділяються Висока концентрація газоподібного аміаку в продувному газі, який надходить на мембранні розділювачі установки імпортної поставки "MEDAL", навіть у межах регламентних норм знижує ефективність роботи мембранних розділювачів, призводить до втрати аміаку із продувними і танковими газами, забруднення навколишнього середовища Крім того, в зазначеному способі процес охолодження газів здійснюють шляхом косвеного теплообміну з охолоджуючим агентом при низькому коефіцієнті теплопередачі, через те, що потік рідкого аміаку із вищезазначеною температурою і тиском при вході в теплообмінні апарати дроселюється, і в міжтрубний простір надходить здросельований двохфазний потік аміаку (газ і рідина), коефіцієнт теплопередачі якого до стінок труб, по яких проходить газ, що розділяється, невисокий Для забезпечення необхідного теплозему треба збільшення габаритів теплообмінників (висока ме талоємкість) або великої витрати охолоджуючого агента, що призведе до подачі великого об'єму газоподібного аміаку із теплообмінних апаратів на компресор захолоджування газоподібного аміаку і до дистабілізацм його роботи Втрати аміаку з продувними і танковими газами можна знизити зниженням температури конденсації В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу утилізації аміаку із продувних і танкових газів, в якому для збільшення вилучення цільового компонента із газу, який розділяється, знижують температуру конденсації без застосування зовнішнього низько потенційного холодильного циклу, шляхом подачі в основний потік охолоджуючого агента потоку низькотемпературного продукційного аміаку з температурою мінус 32°С мінус 34°С, забезпечуючи значне зниження температури охолоджуючого агента в теплообмінних апаратах, створюючи сприятливий термодинамічний режим роботи з високим коефіцієнтом теплопередачі, глибоку конденсацію аміаку із газів, які розділяються, і більший процент його вилучення, підвищуючи економічність процесу синтезу аміаку Поставлена задача вирішується тим, що в способі утилізації аміаку із продувних та танкових газів шляхом глибокого охолодження газів, які розділяються, в теплообмінних апаратах потоками холодоагента - рідкого аміаку, який виходить із розширювального сосуда з температурою нижче температури затвердіння, аміаку ( мінус 10 - мінус 12°С) при заданому тиску, частковою конденсацією і наступний) сепарацією газів для вилучення рідкого аміаку і відводу його як товарного продукту, згідно Із винаходом, як холодоагент для вымороження аміаку в теплообмінних апаратах продувних і танкових газів використовують суміш потоків рідкого аміаку з температурою мінус 10°С - мінус 12°С і продукційного аміаку з температурою мінус 32°С - мінус 34°С у співвідношенні (1,0 1,0- 2,0) Пропонований спосіб має перевагу перед аналогами, бо не вимагає додаткового низькопотенційного холодильного циклу, що призводить до зниження капітальних і енергетичних витрат на розділення газу, не вимагає трудоємних операцій, простий в експлуатації, легкий в управлінні Використання суміші потоків охолоджуючого аміаку, які надходять із проміжного розширювана з температурою мінус 10°С - мінус 12°С ("теплого") і з розширювача продукційного аміаку з температурою мінус 32°С - мінус 34°С ("холодного") дозволяє отримати охолоджуючий агент, який надходить на теплообмінні апарати, з більш низькою температурою в інтервалі t мінус 22°С - мінус 32°С, яка забезпечує більш глибоку конденсацію аміаку в продувних і танкових газах, забезпечить залишковий вміст аміаку, який відповідає технологічному регламенту установки 1,8% у продувних газах і 9,5% в танкових газах, збільшення продуктивності установки розділення газу на 5 - 7%і таким чином підвищити ефективність роботи установки Ефективність конденсації аміаку із газів, які розділяються, збільшується за рахунок підвищення коефіцієнта теплопередачі, внаслідок використання для отримання суміші одного із потоків рід 44018 кого аміаку з більш низькою температурою і високим тиском За рахунок збільшення дросель - ефекту суміш потоків аміаку розширюється в міжтрубному просторі теплообмінних апаратів, з отриманням однофазного рідкого середовища, в якому коефіцієнт теплопередачі від рідини до стінки в десятки разів вищий порівнянні з коефіцієнтом теплопередачі від парорідинного середовища до стінки Це дозволить охолодити гази, які розділяються, до більш низької температури і тим самим збільшити ступінь конденсації аміаку в теплообмінних апаратах Як наслідок, значно збільшиться КІЛЬКІСТЬ відібраного тепла від продувних і танкових газів В результаті можна знизити площу теплообмінних апаратів (зменшиться металоємкість) і зменшити витрату аміаку на охолодження При цьому менша КІЛЬКІСТЬ газоподібного аміаку після теплообмінників повернеться в систему, знизиться навантаження на компресор захолоджування газоподібного аміаку абсорбційно-холодильної установки, стабілізується його робота Використання двох потоків аміаку з різними температурами розширює діапазон температур холодогента, надає гнучкість роботі теплообмінних апаратів Дозволяє створити економічний температурний режим вимороження аміаку в широкому діапазоні його концентрацій у газі, який розділяється, варіюючи при цьому співвідношення витрат потоків охолоджуючого агента в залежності від вихідної концентрації аміаку в продувних і танкових газах, які подаються на теплообмінні апарати Заявлене співвідношення витрат "холодного" і "теплого" потоків дозволяє оптимізувати процес виморожування аміаку із газів, які розділяються, виключити надмірне їх переохолодження, яке призводить до перевитрати енергоносіїв Численні значення нижньої і верхньої межі співвідношення потоків рідкого аміаку та інтервалу тисків процесу охолодження встановлені на підставі експериментальних даних, наведених в таблиці Здійснення способу поза пропонованими співвідношення витрат і меж тиску погіршує показники процесу У випадку, коли в суміші переважає КІЛЬКІСТЬ "теплого" аміаку, то не досягається ефективна температура охолодження і, як наслідок, залишковий вміст аміаку в газах, які розділяються, залишається високим Збільшення частки "холодного" потоку аміаку більше зазначених меж і подача на охолодження газів тільки продукційнного аміаку знизить температуру в теплообмінних апаратах до мінус 32°С, забезпечуючи високу ступінь утилізації аміаку із газів, які розділяються, до 1,2 - 1,18%, але при цьому знизиться економічність процесу через використання більш дорогого по собівартості продукту На фіг показана схема установки для реалізації пропонованого способу Установка утилізації аміаку містить поширювальний сосуд 1 рідкого аміаку, з'єднаний ЛІНІЯМИ 2, 3 із теплообмінними апаратами 4, 5 продувних і танкових газів, ВІДПОВІДНО, розширювальний сосуд 6 продукційного аміаку, первинний сепаратор продувних газів 7, збірник аміаку 8, сепаратор продувних газів 9, сепаратор танкових газів 10, лінії 11, 12 подачі газів, які розділяються, в теплообмінні апарати, лінії подачі охолоджуючого аміаку 13, 14 в ці апарати, які оснащені регулюючими клапанами 15, 16, 17, 18, що служать для регулювання КІЛЬКОСТІ охолоджуючого агента, який відбирається із розширювачів 1 і 6 Спосіб здійснюється таким чином Продувні гази із вмістом аміаку 30% під тиском 24,5 - 29,4МПа з температурою 21 - 43°С, пройшовши первинний сепаратор 7, направляються на виморожування аміаку в теплообмінний апарат продувних газів 4 Рідкий аміак із первинного сепаратора 7 надходить у збірник рідкого аміаку 8, куди також під тиском надходить аміак із конденсаційної колони В результаті дроселювання рідкого аміаку з тиску 31,5МПа до 1,58МПа відбувається остаточне виділення розчинених в ньому азоту, водню, метану і аргону Ці гази, які називаються танковими, із збірника 8 із вмістом аміаку 36% направляються для охолодження в теплообмінний апарат танкових газів 5 Рідкий аміак із поширювального сосуда 1 із тиском 0,2 - ,17МПа і температурою мінус 10 - мінус 12°С по ЛІНІЯХ 2 і 3 через регулюючі клапани 17, 18 подають на вхід у теплообмінні апарати 4, 5 Аміак із розширювального сосуда 6, в якому тиск підтримується 0,001 - 0,002МПа, з температурою мінус 34°С, подають з лінії нагнітання 13, 14 насосів 19, 20 через регулюючі клапани 15, 16 на вхід в теплообмінні апарати 4, 5 Отримана суміш двох потоків аміаку надходить у міжтрубний простір теплообмінних апаратів, де кипить, забираючи тепло від газів, які розділяються В U- подібних трубках теплообмінних апаратів проходять гази, які розділяються, гази, температура яких знижується від 21 °С 40°С до -12°С -23°С за рахунок теплообміну із охолоджуючим агентом (рідким аміаком), який випаровується при tD06 - 30°С -34°С Тиск аміаку в міжтрубному просторі теплообмінних апаратів 4, 5 рівень рідкого аміаку підтримують регуляторами Тиск охолоджуючого агента на вході в апарат установлюють в межах 0,13 0,19МПа За рахунок подачі на охолодження низькотемпературної суміші досягається більш низька температура охолодження і більш повне виділення аміаку із газу, який розділяється Із трубного простору теплообмінного апарата 4 суміш аміаку, який сконденсувався, та охолодженого продувного газу до температури мінус 12°С - мінус 21 °С із тиском 0,005 - 0,112МПа надходить у сепаратор продувних газів 9, а танкові гази із температурою мінус 12°С - мінус 21 °С і тиском 0,004 - 0,008МПа подають у сепаратор танкових газів 10, в яких відбувається відділення рідкого аміаку від газу Аміак регулятором рівня виводиться у збірник рідкого аміаку Продувний газ після сепаратора 9 із залишковим вмістом аміаку 1,7% - 1,2% і танкові гази із сепаратора танкових газів 10 із вмістом аміаку 9% - 8% виводяться у колектор паливного газу або на факельну, установку Для аналізу складу продувного і танкового газу на лінії його видачі змонтовані аналізні точки 44018 Аміак, який сконденсувався, стікає у збірник рідкого аміаку і далі у розширювальний сосуд 1 Продувні і танкові гази із системи синтезу та охолодження аміаку спалюються у суміші із паливним газом у пальниках печі первинного риформінгу Приклади здійснення способу Приклад 1 Продувні гази в КІЛЬКОСТІ 7763м3/год надходять у теплообмінний апарат 4 із вмістом аміаку 30% Потоки рідкого аміаку із поширювального сосуда 1 і з температурою мінус 12°С із розширювального сосуда 6 продукційного аміаку з температурою мінус 34°С у співвідношенні 1 1 з температурою мінус 20°С подають на вхід теплообмінного апарата 4, під тиском 0,13 0,14МПа В цих умовах в результаті процесу теплообміну газу, який розділяється, з охолоджуючим агентом відбувається глибоке конденсування аміаку із продувних газів Газоподібний аміак із теплообмінного апарата 4 із тиском 0,005 - 0,008МПа подають у розширювальний сосуд газоподібного аміаку 6 А продувні гази з температурою мінус 12°С, які містять рідку фазу аміаку, що сконденсувався, надходять у сепараційний пристрій 9, де з них ВІДДІЛЯЄТЬСЯ аміак до залишкового вмісту 2,0% - 2,4% В результаті із продувних газів буде додатково, у порівнянні із прототипом, сконденсовано 743т/год - 933т/год аміаку (у перерахунку на рідкий) Процес утилізації аміаку із танкових газів здійснюється при наступних умовах Танкові гази в КІЛЬКОСТІ 2446м3/год надходять у теплообмінний апарат 5 із вихідним вмістом аміаку 36%, в якому охолоджуються сумішшю рідкого аміаку, яка і надходить при температурі мінус 20°С і тиску 0,13 0,14МПа Із теплообмінного апарата 5 газоподібний аміак із тиском 0,007 - 0,112МПа виводиться у розширювач продукційного аміаку 6, а охолоджені до температури мінус 12°С танкові гази із аміаком, який сконденсувався, подаються у сепараційний пристрій 10, де від них ВІДДІЛЯЄТЬСЯ рідкий аміак При цьому залишковий вміст аміаку в газах складає 8,5% Додатково сконденсовано у перерахунку на рідкий, 808,62т на рік аміаку Сумарна КІЛЬКІСТЬ аміаку сконденсованого із танкових і продувних газів складає 1975,15т на рік, це дозволить отримати економічний ефект 401629грн/на рік на 1 агрегат синтезу аміаку із природного газу Енерговитрати складають бОбкВт/год Показники процесу наведені в таблиці Приклад 2 Аналогічним чином проводять процес утилізації аміаку із продувних і танкових газів при співвідношенні потоків охолоджуючого агента 1,0 1,5 Температура суміші на вході у теплообмінні апарати дорівнює мінус 22°С, тиск 0,17МПа При цьому тиск газоподібного аміаку на виході із теплообмінних апаратів продувних і танкових газів підтримують 0,004 - 0,072МПа і 0,006 - 0,096МПа, ВІДПОВІДНО При цьому забезпечується виморожування аміаку до залишкового вмісту в продувних газах 1,7 - 1,6% і до 9,0% - в танкових, при його високій ВИХІДНІЙ концентрації перед ВІДПОВІДНИМИ 8 теплообмінними апаратами 30% і 36% У процесі реалізації способу додатково утилізовано 1073,2т/рік аміаку із продувних газів і 735,1т/рік аміаку із танкових, сумарна КІЛЬКІСТЬ 1808,Зт/на рік аміаку Витрата енергоносіїв складає 685кВт/год Приклад 3 Аналогічно прикладу 1 при співвідношенні потоків охолоджуючого аміаку 1,0 - 2,0, забезпечуючи температуру охолоджуючого агента мінус 26°С, і підтримуючи тиск його суміші на вході в теплообмінні апарати 0,18 - 0,19МПа Газоподібний аміак, який утворився при КИПІННІ рідкого охолоджуючого агента виходить із теплообмінного апарата продувних газів під тиском 0,005 0,08МПа, із апарата танкових газів під тиском 0,007 - 0,112МПа Танкові і продувні гази видаляються із теплообмінників із температурою мінус 20°С, надходять далі на розподіл від аміаку, який сконденсувався Залишкового вмісту аміаку в продувних газах 1,5 - 1,4%, в танкових 8,5% При цьому додатково буде сконденсовано 1166,5%т/на рік аміаку із продувних і 808,Зт/на рік із танкових газів Загальна КІЛЬКІСТЬ дорівнює 1975,11т/на рік Витрата енергоносіїв складає 727кВт/год Приклад 4 Аналогічно прикладу 1 при співвідношенні потоків 1,0 2,2 Співвідношення потоків аміаку з температурою -10°С -12°С і з температурою -32°С -34°С в КІЛЬКОСТІ 1 2,2 забезпечує високе виморожування аміаку до 1,3 - 1,18% у продувних і 7% утанкових газах при температурі суміші -29°С і тиску на вході в теплообмінні апарати 0,19 - 0,2МПа Сумарна КІЛЬКІСТЬ додатково сконденсованого аміаку в теплообмінних апаратах складає 2155,3т/на рік Але при цьому енерговитрати на власні потреби будуть збільшені до 817кВт/год Приклад 5 Аналогічно прикладу 1 при конденсації аміаку із зазначених газів за допомогою потоку продукційного аміаку з температурою мінус 34°С, співвідношенні потоків 0 2 Сконденсовано 2335,5т/на рік аміаку Енерговитрати зросли до 893кВт/год Приклад 6 Виморожування аміаку із продувних і танкових газів здійснюють потоком аміаку із температурою мінус 12°С (прототип) Використання для охолодження газів потоку аміаку з t - -10 -12°С у співвідношенні 2 0 при тиску в теплообмінних апаратах 0,2МПа не забезпечує ефективного виморожування аміаку із продувних і танкових газів Його вміст залишається високим на рівні 3 - 4%, 14% ВІДПОВІДНО Витрата енергоносіїв трохи нижче, ніж у варіанті 1 584кВт/год Таким чином, реалізація способу дозволяє - зменшити втрати аміаку із продувними і танковими газами, - забезпечити стабільне виморожування аміаку із газів, які розділяються, - стабілізувати роботу компресора АХУ, - забезпечити більш надійну та ефективну роботу установки сепарації газів, - додатково збільшити обсяг випуску продукційного рідкого аміаку Таблиця 9 N п/п 2 3 4 5 6 7 8 9 9 10 10 Прикладі Приклад2 ПрикладЗ Приклад4 Приклад5 Прикладб (прототип) 2 3 4 5 6 7 8 ЗО ЗО ЗО ЗО ЗО ЗО 36 36 36 36 36 36 1,0 1,01 1,01,5 1,0 2,0 1,0 2,2 0 2,0 20 -20 -22 -26 -29 -32 -10-12 0,13-0,14 0,17 0,18-0,19 0,19-0,2 0,22 0,2 -12 -17 -20 -21 -23 -4 -5 -12 -17 -20 -21 -23 -4 -5 0,0050,008 0,0060,096 0,0070,112 0,0080,12 0,0090,127 0,02 0,0040,06 0,0040,072 0,0050,08 0 0060,009 0,0070,01 0,02 2,0-2,4 1,7-1,6 1,5-1,4 1,3-1,2 1,2-1,18 3,0-4,0 10-10,5 9,0 8,5 8,0 7,0 14,0 747-933 1073,2 1166,5 1236,4 1306,3 588,3642,6 735,1 808,6 918 1029,2 1521,31398,6 1808,3 1975,11 2155,3 2335,5 401629 477584,5 521856,5 617201,5 617202 606 685 727 801 893 584 1 1 44018 Режим роботи і параметри процесу охолодження Вміст NH3 В продувних газах на вході в теплообмінний апарат, % Вміст NH3 В танкових газах на вході в теплообмінний апарат, % Співвідношення витрат рідкого NH3, який надходить із проміжного розширювача з t=-12°C і розширювача продукційного аміаку з t=-34°C Температура суміші потоків аміаку на вході в теплообмінні апарати, °С Тиск суміші рідкого аміаку перед теплообмінними апаратами, МПа Температура продувних газів після теплообмінника, °С Температура танкових газів після теплообмінника, °С Тиск газоподібного аміаку на виході із теплообмінного апарата для танкових газів, МПа Тиск газоподібного аміаку на виході із тепло обмінного апарата для продувних газів, МПа Залишковий вміст аміаку в продувних газах, % Залишковий вмсіт аміаку в танкових газах, % КІЛЬКІСТЬ аміаку додат 11 ково сконденсованого в теплообміннику продувних газів, т/на рік КІЛЬКІСТЬ аміаку, додат 12 ково сконденсованого в теплообміннику танкових газів, т/на рік Сумарна 13 14 15 КІЛЬКІСТЬ сконденсованого аміаку в теплообмінниках, т/на рік Прогнозований прибуток, грн/рік Енерговитрати, кВт/год 11 44018 12 ФІГ. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90