КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ (КОЛОННА) ДЛЯ СИНТЕЗА АММИАКА

Колонны для синтеза аммиака при значительных размерах отличаются низкой интенсивностью, работая при объемных скоростях порядка 10000-12000. В силу этого количество катализатора, загружаемого в колонну, как и размеры самих колонн, слишком велики. Увеличение количества подаваемого газа не приводит к значительному и устойчивому повышению интенсивности в силу того, что отвод теплоты реакции из колонны при этом становится неудовлетворительный. Это же наблюдается и при работе на высокоактивном катализаторе, когда, с целью снижения количества выделяемой теплоты реакции, снижают выход аммиака путем повышения температуры конденсации или снижения рабочего давления.

Не используется должным образом и загруженный в колонну катализатор. Обычно только верхний слой катализатора активно продуцирует. Наиболее значительный нижний слой, на который поступает газ, содержащий значительное количество аммиака, в работе, по существу, не участвует. После падения активности верхнего слоя, производится перегрузка всего катализатора, и нижний слой катализатора выбрасывается неиспользованным. Посколько газ, содержащий СО и O₂ поступает всегда только на верхний слой, то при отравлениях последний регенерируется плохо, а поэтому отравления катализатора, сильно уменьшают его активность и срок службы.

В силу того, что колонна работает на малоактивном катализаторе, тепловой режим ее неустойчив, в результате чего она довольно часто затухает. Для создания большей устойчивости теплового режима в колонну вводят дополнительный теплообменник, занимающий 25-30% ее объема и включаемый обычно только при разладках теплового режима.

Тепловая изоляция колонны отчасти из-за преувеличенных размеров в последней не всегда удовлетворительна, что приводит при малейших нарушениях циркуляции газа в колонне к перегреву ее корпуса и расстройству соединений и прорывам газа.

Предлагаемая конструкция колонны предусматривает работу на высокоактивном катализаторе. Так как выгоднее более частая замена катализатора, чем работа на малоактивном катализаторе, количество катализатора принимается минимальным, что облегчает его замену, ускоряет процесс восстановления и позволяет применить относительно более высокие скорости газа. Это же приводит к сокращению размеров колонны как за счет уменьшения количества загружаемого катализатора, так и за счет того, что при этом не нужным становится нижний теплообменник колонны.

Для регулирования температуры зоны катализа часть газа, поступающего в колонну, может быть подана в зону катализа непосредственно, минуя все теплообменники и проходя только тот участок, который необходим для смешения его с остальным количеством газа, поступающим в зону катализа по линии горячего хода. Тепловая изоляция внутренней части колонны синтеза усиливается, с тем, чтобы избежать возможности перегрева стенок ее корпуса, и таким образом теплота реакции отводится почти исключительно с газом, отходящим из колонны.

В силу этого в колонну предлагаемой конструкции выгодно направлять газ, содержащий минимальное количество аммиака. Следовательно, система конденсации может и должна работать при возможно более низких температурах. Указанные мероприятия позволяют значительно интенсифицировать работу колонны по сравнению с колоннами известных конструкцией и сократить, одновременно, ее размеры. Для изменения направления прохождения газовой смеси через катализатор, т.е. для создания возможности чередования работы слоев катализатора, в конструкцию колонны вводится простейшее клапанное распределение газа, для чего в зоне катализа устраивается центральная труба.

Возможность изменения хода газа позволяет использовать обычно не работающий нижний слой, регенерировать отчасти отравленный верхний слой и после отравления нижнего слоя, произвести обратное переключение. На отравленный слой таким образом будет поступать газ, очищенный от ядовитых соединений, что обеспечит его регенерацию. При поступлении в колонну газовой смеси нормальной чистоты, это переключение может сделать не нужным колонны предкатализа и приведет к удлинению срока службы катализатора.

Переключение клапанов производится с помощью электромагнита/ или в результате нагревания электрическим током стального стержня, помещаемого в центральной трубе/ и не вызывает конструктивных усложнений в колонне.

Ниже приводим описание работы предлагаемой колонны и взаимодействие ее частей.

Основное количество газовой смеси, поступающей в колонну, проходит так называемый "горячий ход", по пути которого происходит теплообмен с отходящим газом. До этого теплообмена газ проходит по концентрическим пространствам, образованными различными направляющими. Прежде всего происходит омывание стен корпуса колонны, чем предупреждается его перегрев. Указанный ход газа создается кожухом, наружная и внутренняя часть которого омываются газом. Следующей направляющей является изоляционный слой, который создает тепловую изоляцию между наружными и внутренними стенами корпуса. Здесь газ также проходит и с наружной, и с внутренней стороны. Для лучшего распределения газа по всей поверхности теплообмена и увеличения его скорости в проходах спирально устанавливают полосы или проволоки, которые вызывают спиралевидные токи и завихрения газа.

Кожух и изоляция составляют первую деталь внутренней части колонны. Эту деталь плотно устанавливают на нижнюю крышку колонны и из нижней части образованного пространства осуществляют продувку колонны и спуск масла.

Второй деталью является трубчатый теплообменник, по междутрубному пространству которого проходит свежая смесь, а по трубам - горячая, отработанная. В верхней решетке трубки теплообменника при большой высоте его укрепляют с помощью сальников или же уплотняют пространство между теплообменником, наружной и внутренней деталями.

После теплообменника газ обходит с наружной и внутренней сторон электронагревательную спираль. Перед поступлением в клапанную коробку горячий газ смешивается с холодным, подаваемым по линии так называемого холодного хода. После смешения обоих потоков газ поступает в клапанную коробку, а оттуда в зависимости от условия работы, в верхнюю часть катализаторной корзины или в нижнюю часть ее через центральную трубу. Горячий газ, содержащий аммиак, отходит из клапанной коробки в трубную часть теплообменника и, пройдя ее, выходит из колонны и поступает в систему конденсации. Переключается клапан с помощью электромагнита. Температуру зоны катализа измеряют подвижным пирометром. Нижняя и верхняя крышки колонны хорошо изолируются слоем асбестовой изоляции.

Катализаторная корзина вместе или отдельно от электроспирали может быть легко вынута и заменена на новую. Остальные детали могут остаться на месте.

Засыпают катализатор при разобранной клапанной коробке. После сборки ее досыпают катализатор через трубу. Восстанавливать катализатор можно в специальной колонне, после чего катализаторную корзинку устанавливают на место с восстановленным катализатором, что сведет к минимуму простой колоны синтеза.

Распределительный клапан может приводится в действие с помощью электромагнита или нагреваемого электрическим током стального стержня, который может быть установлен в центральной трубе.

При бездействующем магните клапан собственным весом закрывает нижние выходные отверстия, имеющие уплотнения, в центральную трубу для свежего газа и входное из катализаторной корзины для синтетированного газа. При таком положении клапанов свежий газ поступает на верхнюю часть катализатора.

Для перемены хода газа, электромагнит включают и подтягивают клапаны вверх так, что они закрывают верхние отверстия и открывает нижнее. Свежий газ при этом поступает в центральную трубу, а синтетированный отходит. При таком положении свежий газ поступает на нижний слой катализатора.

Труба, уплотненная сальником, служит для перехода газа в трубную часть теплообменника. Вся верхняя часть катализаторной корзины может быть разобрана для засыпки катализатора, а нижняя - для ссыпки.

Так как сталь теряет магнитные свойства при температуре 770°С, то магнит может быть установлен сверху переходных труб, вместо крышки, а притягивающая к магниту плита - внутри переходных труб. В этом случае конструкция клапанной коробки упрощается и отпадает необходимость установки в ней сальникового уплотнения. Однако условия работы электромагнита будут тяжелее, т.к. возрастает температура.

Таким образом, предлагаемая конструкция колонны позволит повысить интенсивность ее и даст возможность работать только на высокоактивном катализаторе, ибо любое количество газа может быть дано в зону катализа, минуя теплообмен с отходящим газом. Дополнительно вводимые проходы для газа улучшают теплоизоляцию стен корпуса колонны. Применение клапанного распределения позволяет работать на любом слое катализатора, чем удлиняется срок действия его и поддерживается высокая активность. Применение активного катализатора и увеличение скоростей позволяет сократить размеры колонны за счет уменьшения количества катализатора и ненужности, в этих условиях, нижнего теплообменника. Катализаторная корзина, имеющая небольшие размеры, может быть легко заменена на вновь загруженную, чем может быть поддержана постоянная высокая активность катализатора. Возможно, что при этом отпадут колонны предкатализа.

Из описанного ясно, что при уменьшении размеров, колонны, она будет иметь большую эффективность.