Авторы: С.В. Афанасьев (Тольяттинский государственный университет), С.П. Сергеев (ОАО «ГИАП»), Г.К. Лавренченко, А.В. Копытин (УА «СИГМА»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2016
В отечественной и зарубежной промышленности используются различные приемы утилизации продувочных газов производства аммиака: в качестве топлива после отделения аммиака; выделение аммиака и водородной фракции с использованием отходящего газа в качестве топлива; разделение смеси газов с получением чистого аргона, водородной фракции, метановой фракции и аммиака в виде водного раствора.
Интерес к этой проблеме вполне понятен, так как переработка продувочных газов синтеза аммиака, карбамида, метанола и других производств позволяет возвратить в цикл не прореагировавшие реагенты (водород, аммиак, метанол, азот и др.) и уносимые с продувочными газами товарные продукты, повысить экологическую и пожарную безопасность соответствующих производств [1].
Необходимость очистки продувочных газов от аммиака перед их глубокой переработкой связана с тем, что его присутствие в газовой смеси препятствует нормальной работе систем газоразделения. В случае попадания на мембраны он вызывает их необратимое уплотнение; в криогенных системах аммиак может переходить в твердое состояние; в адсорбционных установках наличие аммиака в перерабатываемом газе снижает активность адсорбентов.
В патентной и технической литературе описаны разнообразные способы выделения аммиака из продувочных и танковых газов. В частности, авторами работы [2] описан метод, базирующийся на захолаживании продувочных газов и переводе аммиака в жидкое состояние.
Недостатком указанного способа являются большие затраты холода, вызванные тем, что для частичной конденсации аммиака объемной концентрацией 0,5–10% необходимо охлаждать весь газовый поток. По указанной причине этот способ не получил широкого распространения.
Более интересным является метод отделения аммиака, описанный в работе [3] и внедренный на многих предприятиях России. Он включает абсорбцию газов водой в аппаратах колонного типа и сжигание очищенной газовой смеси в трубчатой печи. Производимая аммиачная вода содержит около 25% мас. аммиака и используется преимущественно в качестве азотного удобрения при посевных работах. Спрос на нее ограничен, а транспортирование данного вида удобрения на дальние расстояния нерентабельно из-за низкого содержания в нем питательных веществ. Таким образом, большая часть производимой аммиаксодержащей воды из системы абсорбции продувочных газов сбрасывается в канализацию, что приводит к увеличению затрат на переработку промышленных стоков.
Авторами данной работы поставлена задача по усовершенствованию процесса очистки продувочных газов от аммиака с получением товарного аммиака в жидком виде, а при необходимости и аммиачной воды при одновременном улучшении экологических показателей производства.
Для решения этой задачи была разработана технологическая схема поглощения NH3 из продувочных газов следующего состава, об. %: 0,1–12 аммиак; 20–55 водород; остальное – другие газы. Схема включает промывку продувочного газа в скруббере и стадию выделения аммиака, при этом промывка производится в многоступенчатом скруббере с охлаждением аммиачного раствора между ступенями абсорбции, а выделение аммиака после первой ступени скруббера осуществляется либо методом выпаривания в аппарате объемного или пленочного типа при давлении синтеза или хранения аммиака в продуктовых емкостях с последующей его осушкой и сжижением, либо расширением аммиачного раствора после первой ступени скруббера в гидравлической машине до атмосферного давления [4]. Предложенный метод реализуется следующим образом.
Продувочные газы синтеза аммиака, содержащие водород, метан, азот, аммиак и примеси инертных газов, подаются в насадочный скруббер на отмывку аммиака водой. Указанный скруббер состоит как минимум из двух ступеней. При этом на орошение насадки первой ступени направляется слабый водоаммиачный раствор после второй ступени. С целью повышения скорости хемосорбции и абсорбционной емкости по целевому компоненту (аммиаку) в скруббере предусмотрено межступенчатое охлаждение воды. После последней ступени скруббера продувочные газы, очищенные от пыли и аммиака, поступают в систему выделения водорода и других газов, базирующуюся на одном из описанных ранее принципов.
Использование многоступенчатого скруббера с увеличенной площадью массообмена позволяет получить на выходе из первой ступени крепкий водоаммиачный раствор с концентрацией аммиака, близкой к 25% мас., что минимизирует затраты тепловой энергии на его выпаривание.
После первой ступени скруббера промывочная вода, содержащая аммиак, направляется в систему выделения аммиака, работающей по принципу выпаривания. Предлагаемый способ предусматривает два варианта ее подачи в выпарной аппарат: 1) под давлением синтеза аммиака; 2) под давлением хранения жидкого аммиака в продуктовых емкостях путем расширения аммиачного раствора в гидравлической турбине.
В первом варианте (см. рисунок, а) промывочная вода после первой ступени скруббера 1 поступает в выпарной аппарат 13 через рекуперативный теплообменник 14. В качестве выпарного аппарата может применяться аппарат объемного или пленочного типа, в котором за счет подвода теплоты от стороннего источника происходит выпаривание аммиака. В качестве источника теплоты может использоваться любой технологический поток пара или конденсата. Выделившийся из воды аммиак последовательно проходит рекуперативный теплообменник 14 и влагоотделитель 15, после чего он поступает в один из двух попеременно работающих адсорберов блока глубокой осушки 10. Осушенный до температуры точки росы (–40°С) аммиак дросселируется через вентиль 11 до давления в продуктовых емкостях жидкого аммиака (1,8 МПа) и сжижается. Для регенерации адсорбентов блока глубокой осушки аммиака 10 используется предварительно подогретый технический воздух или любой другой технологический поток нагретого свободного от влаги газа. Вода из нижней части выпарного аппарата 13 насосом 12 подается в рекуперативный теплообменник 14, затем через охладитель 4 на орошение во вторую ступень скруббера 1. Насос 12 используется только для компенсации потерь давления в соответствующих аппаратах установки. После второй ступени скруббера 1 слабый водоаммиачный раствор поступает в буферную емкость 2, из которой насосом 5 через охладитель 3 подается на орошение первой ступени скруббера 1. Крепкий водоаммиачный раствор после первой ступени скруббера 1 подается в систему извлечения аммиака методом выпаривания. Цикл замыкается.
При необходимости производства аммиачной воды предлагаемое изобретение реализуется следующим способом. Крепкий водоаммиачный раствор после первой ступени скруббера 1 подается в гидравлическую турбину 6, в которой он расширяется до давления окружающей среды, и затем насыщается аммиаком до требуемой концентрации. Подача свежей воды на орошение скруббера 1 производится с помощью насоса 8, соединенного с гидравлической турбиной через муфту 7. Насос 8, оснащенный электродвигателем 9, используется для подпитки системы свежей водой.
Во втором варианте (см. рисунок, б) крепкий водоаммиачный раствор из первой ступени скруббера 1 поступает в гидравлическую турбину 6, в которой расширяется до давления, равного давлению хранения жидкого аммиака в продуктовых емкостях. После этого крепкий водоаммиачный раствор через рекуперативный теплообменник 15 подается в выпарной аппарат 14, где за счет подвода теплоты от стороннего источника происходит выпаривание аммиака. Выделившийся из воды аммиак последовательно проходит рекуперативный теплообменник 15 и влагоотделитель 9, после чего он поступает в один из двух попеременно работающих адсорберов блока глубокой адсорбционной осушки 11. Осушенный до температуры точки росы (–40°С) аммиак конденсируется в воздушном конденсаторе 12 при обдувании вентилятором 13. Циркуляция промывочной воды во втором случае осуществляется по аналогичной схеме, за исключением того, что перед подачей воды в скруббер ее давление должно быть повышено до исходного значения (давления продувочных газов). Для этого предусмотрен насос 7, находящийся на одном валу с гидравлической турбиной 6. Как и в первом случае, для компенсации потерь привода насоса 7 используется дополнительный электродвигатель 8.
Во втором варианте также предусмотрена возможность выдачи крепкого водоаммиачного раствора для производства аммиачной воды. В этом режиме гидравлическая турбина 6 работает с большим перепадом давлений, чем в режиме выпаривания аммиака, так как расширяет крепкий водоаммиачный раствор не до давления хранения аммиака в продуктовых емкостях, а до атмосферного давления. Подача в скруббер 1 свежей воды может осуществляться как насосом 8, так и насосами 8 и 10, работающими последовательно. Подпитка системы свежей водой в режиме выпаривания аммиака производится при помощи отдельного насоса 10.
Производительность установки, реализующей заявленный способ, по аммиаку в пересчете на 1000 нм3/ч перерабатываемых продувочных газов, содержащих 1,5% об. аммиака, составит приблизительно 10 кг/ч.
Соответственно для установки синтеза аммиака АМ-76, расход продувочных газов в которой равен 4000…6000 нм3/ч, количество аммиака составит 40…60 кг/ч или 350…480 т в год.
Удельный расход воды на промывку продувочных газов, как правило, не превышает 0,15 кг/нм3, что для агрегатов аммиака типа АМ-76 соответствует расходу воды на скруббер 600…900 кг/ч. В случаях, когда аммиачная вода не выдается потребителям, общий расход свежей воды на подпитку заявленного изобретения не превышает 2% ее указанного расхода в аппарате.
Концентрация аммиака в крепком водоаммиачном растворе обычно не превышает 10% мас. Однако она может быть повышена до 20–25% мас. за счет использования эффективной насадки и увеличения числа ступеней скруббера.
Основным электропотребляющим оборудованием установки очистки продувочных газов от аммиака являются водяные насосы. Расход электрической энергии на их привод при использовании для расширения крепкого водоаммиачного раствора гидравлической турбины оказывается незначительным.
Дополнительным эффектом от внедрения предложенного способа извлечения аммиака из продувочных газов синтеза аммиака является исключение сбросов в канализацию аммиаксодержащей воды, что способствует улучшению экологической обстановки региона и снижению затрат на утилизацию сточных вод предприятия.
Список литературы
- Афанасьев С.В. Пожарная безопасность технологических процессов. Учебное пособие. Самара. Сам. научн. центр РАН, 2015. 520 с.
- Патент №2217669 России. МПК F 25 J 3/06. Способ утилизации аммиака из продувочных и танковых газов.
- Справочник азотчика/Под ред. Е.Я. Мельникова. 2-е изд. перераб. М. :Химия, 1986. 512 с.
- Патент №2372568 России. МПК. F 25 J 3/06. Способ извлечения аммиака из продувочных газов.
