Авторы: А.А. Воробьев (ОАО «НИИК»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», август 2019

В статье описывается успешный опыт внедрения относительно недорогих, но очень эффективных технологических решений НИИК на индийских предприятиях – о реконструкции реакторов синтеза карбамида с установкой в них комплекта внутренних устройств (КВУ) разработки института.

НИИК уже на протяжении многих лет занимается вопросом повышения эффективности реактора синтеза. Это – сердце процесса, и любое улучшение его работы отзывается на работе всего агрегата карбамида.

Как известно, существует некоторая равновесная, т.е. предельная, степень конверсии диоксида углерода, которая может быть достигнута при заданных технологических условиях протекания процесса. Внутренние устройства НИИК позволяют максимально приблизить фактическую степень конверсии к равновесной за счет создания оптимальной гидродинамики потоков.

При этом уменьшается количество непрореагировавших компонентов – аммиака и диоксида углерода. И это позволяет выполнить одну из двух задач в зависимости от требований заказчика: повысить производительность агрегата карбамида или сэкономить энергоресурсы (в первую очередь, пар среднего давления). Для индийских производителей карбамида чаша весов склоняется в пользу экономии энергии.

Подход НИИК к организации процессов внутри реактора синтеза

Мы выделяем несколько рабочих зон в реакторе синтеза. Первая – зона смешения исходных реагентов; вторая – зона образования карбамата аммония; третья – зона образования карбамида.

К настоящему времени сложилась весьма совершенная структура позонной установки внутренних устройств в реакторе. Для каждой зоны специалистами НИИК было разработано устройство, наилучшим образом учитывающее специфику протекания процесса в ней.

В результате не только повышается степень конверсии диоксида углерода, но достигается другой важный эффект – меньшее снижение степени конверсии с увеличением производительности узла синтеза. Это позволяет повышать нагрузку на агрегат в будущем без серьезных модификаций в узлах дистилляции и рецикла.

Конструкции внутренних устройств реактора синтеза НИИК

Вихревой смеситель

Рассмотрим зону смешения исходных реагентов. Основные задачи для этой зоны:

  • необходимость максимального заполнения нижней части реактора газожидкостной смесью с исключением «мертвых» зон, где не происходит активного контакта потоков;
  • создание условий с наибольшей поверхностью контакта фаз, т.е. с большим количеством минимально мелких пузырьков в жидкой фазе.

Таким образом, нужно создать режим идеального смешения. Эти условия обеспечиваются разработанной в НИИК конструкцией вихревого смесителя. Вихревой смеситель работает по принципу вихревой камеры с тангенциальным и коаксиальным вводами. Энергия закрученного потока жидкой фазы на выходе из смесителя разбивает газовую фазу, идущую коаксиально, на очень мелкие пузырьки. Так как основной поток закручен, вся смесь равномерно распределяется по всей нижней зоне реактора.

Степень заполнения нижней зоны реактора достигает в данном случае 90 %. Это повышает полезно используемый объем реактора на несколько кубических метров.

За счет создания мелкодисперсной смеси газа и жидкости осуществляется максимальный контакт сырьевых потоков между собой. Размер пузырей всего около 2 мм, что способствует скорейшему началу образования карбамата аммония в нижней зоне реактора. В нижней части устанавливается отбойная тарелка, которая исключает эрозию футеровки вблизи днища реактора. Скорость движения смеси у боковых стенок реактора уже минимальна. Сопротивление смесителя также небольшое и не сказывается на подаче диоксида углерода, аммиака и раствора солей в реактор.

Бустер конверсии

Во второй зоне устанавливается бустером конверсии , представляющий собой трубчатую насадка продольного секционирования.. Основная задача в этой зоне – максимально полно провести реакцию образования карбамата аммония. Для этого наилучшими условиями является режим идеального вытеснения в отличие от первой зоны. Он характеризуется в первую очередь тем, что продукты реакции не должны смешиваться с сырьем, иначе реакция замедляется и не проходит так глубоко, как должна. В связи с этим бустер состоит из пучка вертикальных П-образных труб малого диаметра. Конструкция и расположение труб менялись на протяжении времени. На сегодня мы считаем, что нашли оптимальный вариант их формы и размещения.

Принцип действия бустера. Подготовленная газо-жидкостная смесь направляется во входные отверстия трубных элементов. На их входах установлены специальные турбулизаторы, которые колеблются со звуковой частотой. Это позволяет разбить газовые пузырьки до минимально возможных. Смесь движется вертикально вверх, по П-образным трубкам, затем вертикально вниз и выходит через специальные окна в нижней части труб.

Режим идеального вытеснения позволяет, как уже было сказано, максимально эффективно завершить процесс образования карбамата аммония, т.е. сделать это в минимальном объеме реактора. А это означает также увеличение полезного объема реактора, который будет использоваться для третьей зоны – образования карбамида.

Массообменные тарелки

Оптимальный режим в данной зоне – также идеального вытеснения, т.е. наилучшим здесь было бы тоже применить тонкие трубки. Но, конечно, ввиду длительности процесса очевидно, что трубчатая конструкция не подойдет из-за гигантской металлоемкости, поэтому применяется другой подход – создание большого числа ячеек идеального смешения. Чем их больше, тем ближе общий режим к идеальному вытеснению. Оптимальным числом с точки зрения капитальных затрат и в зависимости от соотношения длины реактора к его диаметру является 10…15 ячеек. Конструкция тарелок НИИК также, как и бустер конверсии, претерпевала несколько изменений.

В настоящий момент НИИК предлагает последнюю разработку в области тарелок в реактор синтеза карбамида. Эта конструкция обладает малой металлоемкостью, простотой монтажа и минимальным числом резьбовых и сварных соединений. При этом обеспечивается наилучшее смешение внутри зоны между тарелками – поток перенаправляется от периферии к центру и обратно.

Установка и обслуживание внутренних устройств

Посмотрим на основные этапы установки внутренних устройств НИИК в реактор синтеза.

В первую очередь осуществляется совместная с заказчиком приемка оборудования. Заказчик в нашем присутствии проверяет комплектность поставки, качество сварки и пр. Затем производится контрольная сборка вне реактора. В первую очередь это касается вихревого смесителя.

Вторым этапом после вскрытия и охлаждения реактора идет полный или частичный демонтаж массообменных тарелок. В нижней части реактора нашими специалистами производятся дополнительные осмотр и измерения футеровки. В случае установки бустера конверсии для надежного крепления толщина футеровки не должна быть меньше 4 мм.

И на следующем этапе осуществляется монтаж устройств: сначала вихревого смесителя, затем бустера конверсии и массообменных тарелок.

Полный цикл демонтажа и монтажа для всего комплекта устройств занимает максимум 10 дней. Один день необходим для демонтажа старых тарелок и смесителя. Три дня – на сборку и установку вихревого смесителя. Четыре дня – на монтаж секций бустера конверсии и два дня на установку новых тарелок.

Дальнейшее обслуживание устройств при капитальных ремонтах минимально – только визуальный осмотр. Доступ к смесителю осуществляется путем демонтажа только центральной части бустера конверсии. Весь бустер собран с помощью клиньев, что значительно упрощает его разборку в случае необходимости.

Опыт установки устройств на производствах Индии

Реализация устройств в индийских предприятиях. Путь к первому контракту был довольно длительным. Потребовалось время, чтобы сгладить различия в менталитете и подходе к ведению дела, познакомить индийцев с нашими технологиями.

Первые переговоры по возможному сотрудничеству начались в 2008 году. Поработав с несколькими заказчиками, НИИК заключил первый контракт с компанией Nagarjuna Fertilizers and Chemicals в 2014 году на поставку вихревого смесителя.

В настоящее время устройств внедрены на четырех заводах в Индии (7 комплектов), ведутся активные переговоры еще с несколькими.

Неоспоримыми преимуществами установки устройств в реактор стали:

  • минимальные капитальные затраты: это мероприятие действительно относительно малозатратно;
  • хороший получаемый эффект;
  •  минимальный срок окупаемости.

Основной вопрос в Индии в последние годы – экономия энергии. Индийские производители удобрений получают субсидии от правительства на выпуск продукции при снижении расхода энергии. Существует государственная программа поэтапного снижения энергопотребления по промышленности удобрений. Эти субсидии очень важны, вплоть до того, что без них работа завода будет нерентабельной.

Наши внутренние устройства позволяют получить существенную экономию пара среднего давления, подаваемого на агрегат карбамида.

Для первого проекта в Nagarjuna по совету наших представителей в Индии мы привлекли к монтажу компанию Shiv Engineering. Фирма занимается и изготовлением различного оборудования, включая оборудование высокого давления. В дальнейшем они стали нашим постоянным и надежным партнером по монтажу всех устройств в Индии.

NFCL

2014 г., город Какинада на восточном побережье Индии. Агрегат карбамида по технологии Saipem производительностью 2300 т/сутки.

Первоначально летом 2013 г. были проведены предгарантийные испытания – сняты все показатели работы агрегата при текущей нагрузке. Зафиксированы расходы пара и прочие необходимые параметры. Целью установки была снижение на 35 кг/т расхода пара среднего давления, подаваемого на агрегат. Остановка агрегата на капитальный ремонт была отложена на полгода, поэтому монтаж и гарантийные испытания проходили уже весной и летом 2014 г.

Доставка оборудования до завода прошла успешно, как и последующие приемка смесителя и контрольная сборка. Монтаж был осуществлен всего за пять дней, включая демонтаж частей массообменных тарелок.

В июне 2014 г. состоялись гарантийные испытания. Получены следующие положительные результаты. Во-первых, с запасом достигнут основной показатель – экономия пара СД составила 39 кг/т. Повысилась степень конверсии СО2 на 0,6 % – расчетный и ожидаемый результат работы вихревого смесителя.

Также ожидаемо степень конверсии приблизилась к равновесной (т.е. максимально возможной) на 0,9 %. Повысилось содержание карбамида в растворе из реактора синтеза на 0,8 %.

Следствием повышения эффективности работы узла синтеза стало снижение расхода рецикла углеаммонийных солей, что было отмечено по степени открытия клапана подачи солей в узел высокого давления на 1,3 %. При этом логично снизилось и давление аммиака перед эжектором высокого давления, который перекачивает соли рецикла в реактор синтеза.

Все полученные результаты полностью согласовались друг с другом. И у заказчика не возникло никаких вопросов по достигнутому результату. При этом нужно отметить, что индийцы очень дотошные люди – в протоколах и приложениях подписывается каждый лист с каждой стороны, а сотые доли в результате не остаются без внимания.

RCF Тромбей

После реализации первого контракта индийские представители заводов стали значительно охотнее разговаривать о сотрудничестве с нашей компанией, и в 2016 г. был заключен второй контракт на поставку уже комплекта устройств из смесителя и бустера конверсии в реактор компании Rashtrya Chemicals and Fertilizers (RCF), агрегат Trombay. Завод располагается прямо посреди города Мумбаи, что нас несколько удивило. Как и у многих подобных заводов, здесь есть свой отдельный городок со всей инфраструктурой, где живут рабочие и их семьи.

Агрегат по технологии Saipem иметт производительность 1200 т/сутки. Гарантийный показатель экономии пара среднего давления составлял здесь 75 кг/т.

В связи с рядом особенностей работы агрегата карбамида НИИК и RCF было решено проводить гарантийные испытания в тот же период времени года, что и сбор базовых показателей, чтобы все параметры работы агрегата были одинаковыми.

Финальные испытания были проведены в весеннее время, были соблюдены идентичные базовым условия работы агрегата. Гарантийный показатель по экономии пара был достигнут. А подтверждение работы устройств НИИК после 1 года эксплуатации снял и другой дополнительный вопрос, который часто возникал у индийских заказчиков: сохранение показателей эффективности при постепенном загрязнении оборудования по мере работы агрегата.

Экономия пара составила 78,4 кг/т. Увеличение степени конверсии СО2 было также выше – 1,8 %. Бустер конверсии дал свой дополнительный эффект. Повышение содержания карбамида в растворе из реактора составило 2 %. И также прикрылся клапан на подаче солей рецикла в узел синтеза на 6,7 %.

GNFC

Следующим проектом уже через год стала установка вихревого смесителя для завода Gujarat Narmada Valley Fertilizers and Chemicals. Агрегат по уже привычной нам технологи Saipem производительностью 2200 т/сутки. Гарантийный показатель по экономии пара – 25 кг/т.

На гарантийных испытаниях отмечены все основные положительные моменты. Экономия пара составила 31,6 кг/т. Также увеличились степень конверсии СО2, содержание карбамида в растворе из реактора, прикрылся клапан на подаче солей рецикла в узел синтеза.

RCF Тал 11, 21, 31

В 2018 г. был реализован большой проект с уже известной нам компанией Rashtrya Chemical and Fertilizers, но уже на другом их заводе – в г. Тале. Здесь работают три агрегата Saipem производительностью 2100 т/сутки. В связи с успешным внедрение устройств в реактор агрегата в Trombay руководство компании решило заказать комплекты смеситель + бустер сразу во все три агрегата. Гарантийная экономия пара здесь была 50 кг/т для каждого комплекта.

Проект реализовывался поэтапно. Сначала зимой 2017 г. был смонтирован первый комплект в агрегате 1. Монтаж был осуществлен всего за восемь дней. В начале 2018 г. успешно прошли гарантийные испытания данного агрегата.

Осенью 2018 г. были остановлены агрегаты 2 и 3. Во время остановки были смонтированы оставшиеся два комплекта.

Зимой в два этапа прошли гарантийные испытания двух агрегатов. Эффект от внедрения оказался стабильным для всех трех агрегатов.

Экономия пара составила от 52 до 61 кг/т. Повышение степени конверсии СО2 – от 1,1 до 2,2 %. Повышение содержания карбамида в растворе после реактора синтеза – 1,6–2,0 %. Снижен расход солей из узла рецикла в узел синтеза.

CFCL

Последним на текущий момент проектом является установка вихревого смесителя для реактора синтеза компании Chambal Fertilizers and Chemicals в г. Кота, агрегат Saipem производительностью 1500 т/сутки. Гарантийное значение снижения расхода пара среднего давления – 25 кг/т.

Базовые испытания и монтаж были проведены весной этого года. Гарантийные испытания завершились две недели назад.

Довольные заказчики – это технический персонал цехов карбамида. Со всеми мы поддерживаем хорошие отношения, сохраняем связи через сети, встречаемся на местных конференциях.

Основные результаты установки внутренних устройств

Если говорить об общих результатах, достигаемых при установке внутренних устройств НИИК в реактор синтеза, то можно отметить следующее.

Основное, конечно, это увеличение степени конверсии СО2 на 0,5–3,5 %. Напрямую выступает как мера повышения эффективности работы реактора синтеза.

Далее, как следствие – снижение расхода энергии. В случае пара среднего давления в зависимости от комплектности составляет от 15 до 75 кг/т, что составляет 2–9 % общего потребления пара агрегатом карбамида и является довольно внушительной величиной.

И последнее – за счет разгрузки секций дистилляции и рецикла появляется возможность повысить производительность агрегата карбамида на 3–5 % без внесения модификаций в другие узлы.

Применимость внутренних устройств

Применимость внутренних устройств зависит от технологии производства карбамида. Но единственным исключением является установка вихревого смесителя в агрегатах Stamicarbon со стриппингом СО2 из-за сложной гидравлики узла синтеза (смеситель все же создает небольшой подпор для входящих потоков). В остальных случаях применение возможно и рекомендовано.

Всего на текущий момент внедрено 16 вихревых смесителей, 26 бустеров конверсии и 20 комплектов массообменных тарелок в агрегаты, работающие по разным технологиям, в том числе в России и странах бывшего СССР.

Специалисты НИИК готовы доукомплектовать реакторы синтеза, все еще остающиеся без наших устройств, как для повышения эффективности их работы, так и для возможного увеличения производительности агрегатов.