Пароводный конвертор метана

З трубчатої печі конвертована парогазова суміш по з’єднаному трубопроводу подається в шахтний конвертор  другого ступеня  (7).

Після змішувача паро-газоповітряна  суміш потрапляє на нікелевий  каталізатор. Для не допускання перегріву  та забезпечення нормальної роботи каталізатора над ним в конверторі метану мається  вільний об’єм, де відбувається горіння частини газу з киснем повітря. Далі парогазова суміш проходить послідовно через шестигранні вогнестійкі плитки, які рівномірно розподіляють газовий потік по перетину конвертора, шар термостійкого алюмохромового каталізатора, а потім нікелевого каталізатора. Процес конверсії метану здійснюється при температурі на виході 1270 К та об’ємної швидкості 3500 ч^-1. Залишок метану в сухому конвертованому газі складає 0,35-0,55% (об).

           Конвертована парогазова суміш  після шахтного конвертора метану  охолоджується в котлах-утилізаторах  першого ступеня (10), другого ступеня  (8) з температурою 650 К та направляється   через зволожувач (9) на конверсію  окису вуглецю.

          Після зволожування конвертована  суміш в співвідношенні пар:газ=0,57 поступає в конвертор першої  ступені (11), в якому на середньо-температурному  залізо-хромовому каталізаторі при  температурі на виході

723К, об’ємній швидкості до 2000 год^-1 проходить реакція конверсії оксиду вуглецю з водяним паром.

Залишок оксиду вуглецю після  конвертора першої ступені складає 3,7%(на сухий газ).

 Після конвертора першої  ступені теплота парогазової  суміші використовується для  отримання насиченого пару тиском 10,5 МПа в котлі утилізаторі (12). При цьому парогазова суміш охолоджується до 603К. Після цього парогазова суміш охолоджується до температури 493К у нагрівачі (13), нагріваючи при цьому конвертований, який не має в своєму складі СО₂ перед метануванням до 573К. Після підігрівача парогазова суміш з температурою до 573К. Після підігрівача парогазова суміш з температурою 493К і співвідношенням пар:газ=0,45 поступає в конвертор СО другої ступені (14), в якому на низко-температурному каталізаторі, який в своєму при об’ємній швидкості 2000 год^-1 та температурі на виході 523К відбувається конверсія оксиду вуглецю з водяним паром до вмісту СО в конвертованому газі приблизно 0,15-0,5%(об.).

            З конвертора другого ступеня конвертований газ поступає через охолоджувач (15) в кип’ятильник МЄА - розчину (26). В охолоджувачі газ охолоджується до 450К, після кип’ятильників – до410К. Потім газова суміш охолоджується до 380К в абсорбційно-холодильній установці(АХУ).

 Після цього конвертована  парогазова суміш поступає в  підігрівач 16 та охолоджується до  температури 358-368К, нагріваючи  очищений від СО₂ конвертований газ.

Кінцеве охолодження конвертованої  парогазової суміші до температури 313К відбувається в апаратах повітряного  охолодження (17). Після цих апаратів газ проходить сепаратор вологовідділювач і направляється на очистку від окису вуглецю моноєтаноламіновим розчином. Очистка конвертованого газу від СО₂ відбувається 20-% розчином моноєтаноламіна по двох потоковій схемі з регенерацією розчину в регенераторі-рекуператорі.

Конвертований газ під  тиском 2,8 МПа и з температурою 313К подається в абсорбер (18), зрошений 20-% розчином МЄА з температурою 310К. Абсорбція СО₂ відбувається на насадці із сітчастих тарілок з високими барботажними шарами рідини. У відповідності з двох поточною схемою абсорбер  розділений на нижню та верхню секції.

Конвертований газ, який в  своєму складі має 18% СО₂, проходить спочатку нижню секцію абсорбера, а потім верхню і очищається до залишкового вмісту 0,01-0,03%(об.) СО₂. В верхній частині абсорбера очищений від СО₂ конвертований газ проходить ковпачкові тарілки,  зрошуваний флегмою, і сепаративний устрій для зменшення втрат моноєтаноламіну з газом. Очищений від СО₂ конвертований газ направляється на метанування.

Верхня секція абсорбера (18) зрошується тонкорегенеруючим  розчином другого потоку. Тут розчин насичується оксидом вуглецю (від 0,1 до 0,45 моль СО₂ /моль аміну) і поступає в нижню секцію, в якому змішується з груборегенеруючим розчином, який йде із регенератора першим потоком.

Насичений розчин виходить із нижньої секції абсорбера з  вмістом СО₂ приблизно 0,65 моль/моль аміну і температурою 350К та розділившись на три потоки , поступає в регенератор (25). Перший потік, який складає біля 10% загальної кількості, направляється на верх генератора . Другий потік, який складає 45% загальної кількості розчину, пройшовши теплообмінник (23), нагрівається до 370К за рахунок теплоти тонкорегенеруючого розчину і поступає на 20-ю тарілку регенератора.

Третій потік, який складає  також приблизно 45%, пройшовши теплообмінники (21) і випарювач (22), нагрівається до 386К за рахунок теплоти груборегенеруючого  розчину і поступає в регенератор на 15-ю тарілку.

Регенератор, подібно абсорберу, також розділений на дві секції. В верхній секції регенератора (тарілки 11-22) відбувається десорбція насиченого МЄА-розчину до вмісту 0,3-0,35 моль СО₂ /моль аміну за рахунок теплоти парогазової суміші, яка поступає із нижньої секції регенератора. Потім розчин ділиться на два приблизно рівних потоки. Перший потік – груборегенеруючий – виходить із регенератора і поступає в між трубний простір випарювача (22) і теплообмінників (21), де віддає свою теплоту насиченому розчину, охолоджуючись від 393 до 338К. Подальше охолодження регенерованого розчину першого потоку до 320К відбувається в повітряному холодильнику (20). Потім груборегенеруючий розчин поступає на зрошення нижньої частини абсорбера.

Другий потік поступає для більш глибшої регенерації  в нижню секцію(тарілки 1-10), де із нього десорбується CO₂ до залишкового вмісту 0,1 моль CO₂/моль аміну. Кінцева десорбція CO₂ із МЄА-розчину відбувається при кип’ятінні в виносних холодильниках (12).

Із нижньої секції регенератора тонкорегенеруючого розчину направляється в між трубний простір теплообмінника (23), охолоджується від 398 до 343К, після чого насосом (24) прокачується через повітряний холодильник (19) і поступає на зрошення верхньої секції абсорбера.

З метою очистки  робочого МЄА- розчину від продуктів розпаду, окислення і осмолення моноєтаноламіну та неорганічних домішок, які визивають корозію апаратури, запроваджуна  розгонка частини циркуляційного розчину в спеціальному апараті.

Після моноєтаноламінової очистки конвертований газ підігрівають, проходячи послідовно два теплообмінника – підігрівача , які розташовані у відділенні конверсії СО. В першому підігрівачі (16)  газ нагрівається від 313 до 370 К теплотою парогазової суміші після АХУ, в другому (13) – до 573 К – парогазовою суміщу після конверсії СО першої ступені , а потім поступає в метонатор (27)

В метонаторі газ проходить шар нікелево-алюмінієвого каталізатора, де в результаті гідрування відбувається тонка очистка азотно-водневої суміші до вмісту в ній не більше 0,002%(об.).

Із метонатора очищена азотно-воднева суміш з температурою 623 К поступає послідовно в між трубний простір підігрівачів води високого і низького тиску (28) і (29), де охолоджується відповідно до 400 і 343К. Кінцеве охолодження азотно-водневої суміші до 313К і конденсація водяних парів, отриманих в результаті   гідрування оксидів вуглецю, відбувається у повітряному холодильнику (30).

Після  відділення газового конденсату у апараті відділення вологи газ направляється на центр  обіжний компресор для стиснення  азотно-водневої суміші .

Також для порівняння можна  сказати, що азотно-воднева суміш, яка  поступає в блок синтезу аміаку агрегату 1360т/добу, відрізняється підвищеним показником чистоти у порівнянні з агрегатом потужністю 600т/добу та іншими старими схемами промисловості.

 

1.2.3. Порівняльний  аналіз існуючих конструкцій апарата, що проектуються.[5]

  Використовують шахтні конвертори пароповітряної конверсії агрегату синтезу аміаку продуктивністю 600 т/добу, який зображений на рисунку 4, в якому конвертований газ при температурі 760-830 К поступає із трубчатих печей по футерованому газоходу в змішувач шахтного реактора для змішування з киснем. Вхід газу відбувається тангенсально на відміну від шахтного реактора на рисунку (3), в якому газ поступає зверху. Температура повітря на вході в реактор складає 670-820 К. В шахтні реактори другої ступені потрапляє газ із трубчатої печі, який складає 8-10% (об.) метану. У всіх реакторів при змішуванні потоків, швидкість повітря дорівнює 10-60 м/с. Найбільш висока температура горіння – в нижній частині змішування 5-20 м/с.

Процес в шахтному реакторі контролюється термопарами (5), які  встановленні на вході реакційних потоків, в шарі каталізатора та на виході газу із реактору.

Рисунок 4 - Шахтний конвертор метану: 1-верхня кришка реактора; 2-камера; 3-водяна оболонка; 4-корпус реактора; 5-термопари; 6-штуцер входу води до водяної оболонки; 7-газохід; 8-футеровиний вузол виходу конвертованого газу; 9-днище; 10-розподыльна насадка для виводу гарячого конвертованого газу; 11-шари із оксиду алюмінію; 12-кришка люка-лаза; 13-каталізатор; 14- футеровка із жаростійкого та теплоізоляційного бетону; 15-захисний кожух; 16-штуцер виводу води із водяної оболонки; 17- повітряник; 18- фурми для вводу повітря.

        На  рисунку 5 зображено шахтний реактор паро-кисневої конверсії. Це вертикальний апарат, представляє собою вертикально розташовану металічну обичайку із мало вуглецевої котельної сталі  у верхній частині якого знаходиться змішувальна камера 11. У нижній  конусній частині апарату викладений звід 6, на якій укладаються шари з глинозему 5, а на них нікелевий каталізатор 9 у формі кілець, загальним об’ємом 38,5м³.  Всередині апарат футерований жаростійким бетоном 10, ззовні  він має водяну оболонку 4, не допускає небезпечних перегрівів корпусу при дефектах футеровки. Внутрішній діаметр апарату 3,7м , його висота (з опорою) 17,4м. Днище шахти представляє собою сферичну, конічну або плоску решітку із високо- глиноземистих фасонних керпичів.

 

Рисунок. 5 - Шахтний конвертор метану: 1 – термопари, 2 – захисний шар, 3 – корпус, 4 – водяна оболонка, 5 – шари з глинозему, 6 – решітка, 7 – опора, 8 – драбина, 9 – каталізатор, 10 – змішувальна камера, 12 – майданчик для обслуговування.

Нижче в табл. 3 приведені деякі характеристики промислових шахтних реакторів для агрегатів різної продуктивності(по аміаку).

Таблиця 3 - Характеристики реакторів.

Критерій для порівняння	Для продуктивності 600 т/добу	Для продуктивності 1300-1500 т/добу
Робочий тиск, МПа	26-28	26-31
Об’єм каталізатора, м3	20	38
Об’ємна швидкість, год.-1	3000	4000
Висота, м	15	20
Зовнішній діаметр, м	3	4

 

Надійна робота реакторів в основному залежить від якості футеровки, тому до неї пред’являють великі вимоги. Глибокі тріщини приводять до небезпечних перегрівань корпусу. Виходячи з умов техніки безпеки, майже всі промислові реактори оснащені зовнішньою водяною оболонкою.

1.3. Обґрунтування  вибору конструкції апарата, що  проектується.

Серед розглянутих апаратів шахтних конверторів вибрано реактор, який нижче зображений на рисунку 5.

 

Рисунок 5. – Шахтний реактор пароповітряної конверсії.

 Апарат призначений для проведення практично повної конверсії метану, який залишився в газі після трубчатої печі і введення в склад отримуваного технологічного газу необхідної кількості атмосферного азоту. Апарат представляє собою вертикально розташовану металічну обичайку із мало вуглецевої котельної сталі. Верхня конусна частина апарата слугує основою привареного до неї корпусу змішувальної камери. Нижня частина обичайки закінчується конічним днищем з двома боковими відводами конвертованого газу. В середині реактор футерований вогнестійким монолітним бетоном товщиною приблизно 300мм. Опорний звід і насадні матеріали, які використовуються в середині апарата зроблені із корунду високої чистоти. Шахтний реактор повністю покритий водяною оболонкою.

Конвертований газ при  температурі 1080-1100 К поступає із трубчатої  печі по футерованому колектору в  змішувач шахтного реактора і туди ж компресором подається повітря. Газ в корпус змішувача вводять  тангенсально, повітря – зверху. Температура пароповітряної суміші на вході в реактор складає приблизно 755-773 К.

При змішуванні потоків швидкість  витрачання повітря із сопел розподільчого  пристрою досягає 60 м/с, швидкість руху газу в циліндричній частині змішувача  – 20 м/с.

Схема загрузки апарату : на опірний звід, виготовлений із фасонних корундових виробів, укладають три  шари з діаметром відповідно 70, 50 і 20 мм, після чого поміщають нікелевий  кільцевидний або циліндричний каталізатор  об’ємом 32 м³, далі – 6 м³ алюмохромового каталізатор, на нього по периметру апарату укладають круговий корундовий керпич, а після всю поверхню каталізатора закривають щільно укладенним шестигранними корундовими плитками , які мають по 12 або 9 отворів для проходження газу. Така конструкція розподільчої корундової решітки над шаром каталізатора забезпечує низькі температурні градієнти в поперечному перерізі шару каталізатора і рівномірне розподілення потоків газу по шару. Загальний опір апарату при проектному навантаженню не повинно перевищувати 0,1 МПа.