PL171072B1 - Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracjąsorbentów - Google Patents

Abstract

Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów w baterii adsorberów wypełnionych warstwami sorbentów o silnie rozwiniętej powierzchni aktywnej, poddawanych cyklicznie termicznej regeneracji w drodze przeciwprądowego przemywania adsorbera strumieniem suchego gazu ogrzanego wcześniej do temperatury 150-300°C, znamienny tym, że regenerację sorbentów prowadzi się przy użyciu suchego gazu wydmuchowego odprowadzanego z pętli syntezy amoniaku zwanego purgegazem, jeszcze przed wymyciem wodą zawartego w nim amoniaku.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów. Gaz syntezowy wytworzony w wyniku reformingu węglowodorów z parą wodną albo w wyniku półspalania gazu ziemnego, albo przez zgazowanie węgla, albo w inny sposób, po skonwertowaniu zawartego w nim tlenku węgla z parą wodną i po usunięciu dwutlenku węgla i tlenku węgla znanymi metodami zawiera oprócz wodoru i azotu oraz małych ilości metanu i argonu które stanowią gaz inertny w procesie syntezy amoniaku, jeszcze pewną ilość pary wodnej, zależną od ciśnienia i temperatury tak otrzymanego gazu. Para wodna, podobnie jak pozostałości tlenku i dwutlenku węgla, stanowi silną truciznę katalizatora syntezy amoniaku i dlatego musi być całkowicie usunięta ze strumienia tak przygotowanego świeżego gazu syntezowego przed wprowadzeniem go do pętli syntezy.

Znanym i powszechnie stosowanym w praktyce przemysłowej sposobem usuwania pozostałości pary wodnej ze strumienia świeżego gazu sprężonego do ciśnienia syntezy jest wprowadzenie tego gazu do gazu obiegowego przed końcowym ochłodzeniem gazu obiegowego i kondensacją amoniaku. Woda wprowadzona wraz ze strumieniem gazu świeżego jest usuwana wraz z ciekłym amoniakiem z gazu obiegowego przed podaniem go na wlot do reaktora syntezy amoniaku.

Sposób ten, chociaż skutecznie zapobiega przedostawaniu się śladów H2O do reaktora syntezy amoniaku, ma jednak szereg wad. Konsekwencją usuwania pary H2O poprzez wprowadzenie gazu świeżego do pętli syntezy przed kondensatorem NH3 jest zwiększenie strumienia gazu przepływającego przez układ chłodzenia i kondensacji amoniaku co powoduje wzrost zużycia energii potrzebnej do ochłodzenia gazu. Rozcieńczanie gazu obiegowego opuszczającego reaktor syntezy amoniaku strumieniem gazu świeżego pogarsza warunki kondensacji amoniaku prowadząc do zwiększenia ilości amoniaku zawracanego na wlot do reaktora wraz z gazem obiegowym a tym samym do spadku wydajności reaktora. Dla utrzymania wymaganej produkcji amoniaku konieczny jest zatem wzrost cyrkulacji gazu. Wzrost ogólnej ilości gazu obiegowego przepływającego przez kompresor cyrkulacyjny powiększonego o strumień gazu świeżego oraz zwiększenie cyrkulacji gazu wywołane pogorszeniem warunków kondensacji i separacji amoniaku powoduje wzrost zużycia energi przez kompresor cyrkulacyjny i obniżenie stopnia wykorzystania ciepła reakcji syntezy amoniaku. Rozpuszczanie pary H2O w kondensującym amoniaku powoduje ponadto pogorszenie jakości produktu który zawiera wówczas ok. 0,2% H2O.

Innym znanym sposobem głębokiego osuszania gazu syntezowego opracowanym przez Union Carbide Corp. jest adsorpcja na sitach molekularnych pary wodnej pozostającej w gazie po jego ochłodzeniu i oddzieleniu kondensatu. Gaz syntezowy świeży pod ciśnieniem panującym w linii przygotowania gazu przepływa przez warstwę sit molekularnych stanowiących wypełnienie osuszek gdzie następuje jego końcowe osuszenie. Całkowite osuszenie gazu świeżego pozwala na wprowadzenie go bezpośrednio przed wlotem do reaktora syntezy amoniaku co przynosi wiele korzyści ekonomicznych wynikających ze zmniejszenia stężenia amoniaku na wlocie gazu cyrkulacyjnego do reaktora syntezowego i ze zmniejszenia strumienia gazu przepływającego przez układ chłodniczy. Nieodzownym warunkiem skutecznego osuszania gazu syntezowego do poziomu 1 ppm H2O w gazie suchym zapewniającego bezpieczną eksploatację katalizatora syntezy NH3 jest termiczna regeneracja sorbentu prowadzona każdorazowo po wyczerpaniu zdolności adsorpcyjnej osuszki.

Znane sposoby adsorpcyjnego osuszania gazów różnią się sposobem regeneracji sorbentów wykonywanej cyklicznie po wyczerpaniu chłonności adsorpcyjnej osuszek. W procesie opracowanym przez Union Carbide Corp. regenerację sorbentu prowadzi się częścią strumienia gazu osuszonego, podgrzanego do temperatury 150-300°C. Gaz ten po przejściu przez warstwę sorbentu poddawanego regeneracji oraz po ochłodzeniu i oddzieleniu wykroplonej wody, za pomocą dodatkowego kompresora jest zawracany na wlot do instalacji Benfielda.

W innym ze znanych sposobów osuszania gazu do syntezy amoniaku opisanym w Chim. Prom. za Rubież. 1988, nr 2, str. 57-58, do regeneracji sorbentów wykorzystuje się gaz wydmuchowy stale odbierany z pętli syntezy amoniaku w celu usuwania gazów inertnych zwany purge-gazem, po wcześniejszym odmyciu zawartego w nim amoniaku w płuczce wodnej i po osuszeniu tego gazu w osobnej parze osuszek.

Opisane powyżej, znane sposoby adsorpcyjnego osuszania gazów mają swoje wady i ograniczenia. Regeneracja przy użyciu części strumienia gazu osuszonego z zawracaniem gazu po regeneracji na wlot do instalacji usuwania dwutlenku węgla wymaga zbudowania układu do recyrkulacji gazu i prowadzi do wzrostu zużycia energii przez dodatkowy kompresor cyrkulacyjny. Regeneracja sorbentów przy użyciu purge-gazu, po jego wcześniejszym odmyciu od amoniaku i po powtórnym, dokładnym osuszeniu wymaga dodatkowej instalacji do osuszania gazu wykorzystywanego do regeneracji sorbentów.

Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów według wynalazku polega na tym, że regenerację sorbentów prowadzi się przy użyciu suchego gazu wydmuchowego odprowadzanego z pętli syntezy amoniaku zwanego purge-gazem, jeszcze przed wymyciem wodą zawartego w nim amoniaku. Para wodna pozostająca w gazie świeżym po ochłodzeniu i oddzieleniu kondensatu jest zatrzymywana w porach sorbentu aż do całkowitego wyczerpania chłonności adsorpcyjnej osuszki. Po tym czasie strumień świeżego gazu skierowuje się do innej osuszki a osuszkę wysyconą parą wodną poddaje się cyklicznej regeneracji. W tym celu przez warstwę wilgotnego sorbentu przepuszcza się przeciwprądowo strumień gazu wydmuchowego odbieranego za chłodnicą i separatorem amoniaku z pętli syntezy NH3, uprzednio podgrzanego w wymienniku ciepła do temperatury 150-300°C.

Fazę osuszania gazu do syntezy amoniaku sposobem według wynalazku najkorzystniej jest prowadzić pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia panującego w węźle syntezy amoniaku. Zawartość wilgoci w gazie sprężonym do ciśnienia syntezy wynoszącego 14-30 MPa, po ochłodzeniu w chłodnicy końcowej i po odseparowaniu kondensatu nie przekracza wówczas wartości 150-300 mg H2O/Nm³ gazu podczas gdy w gazie syntezowym przed sprężaniem zawartość wilgoci wynosi około 2000 mg/Nm³ gazu. Pozwala to na znaczne wydłużenie czasu trwania fazy osuszania gazu i na znaczne zmniejszenie rozmiarów aparatów i ilości sorbentów stanowiących wypełnienie osuszek.

Purge-gaz stosowany do regeneracji sorbentów odbierany za układem chłodzenia i po oddzieleniu ciekłego amoniaku, zawiera jeszcze 3-6% obj. NH3 i jest pozbawiony całkowicie pary H2O.

171 072

W wyniku badań stwierdzono, że obecność amoniaku w gazie służącym do regeneracji sorbentów stanowiących wypełnienie osuszek nie tylko nie przeszkadza w procesie regeneracji ale ułatwia wydzielanie wody zatrzymanej w porach sorbentów we wcześniejszej fazie osuszania świeżego gazu syntezowego. Dzięki mechanizmowi wypierania cząsteczek wody zaadsorbowanej w porach adsorbentu przez cząsteczki amoniaku obecnego w gazie stosowanym do regeneracji szczątkowa zawartość wody pozostającej w porach sorbentu po zakończeniu regeneracji jest wyraźnie niższa od szczątkowej zawartości H2O pozostającej po regeneracji gazem suchym bez amoniaku, prowadzonej w tej samej temperaturze.

Niewielka ilość amoniaku jaka pozostaje w porach sorbentu po zakończeniu regeneracji termicznej i po wstępnym ochłodzeniu aparatu strumieniem tego samego gazu podawanego z pominięciem nagrzewnicy zostaje zdesorbowana w początkowym okresie kolejnej fazy osuszania gazu syntezowego i przechodzi do strumienia tego gazu. W procesie osuszania gazu syntezowego prowadzonego w temperaturze ok. 35°C następuje bowiem wypieranie cząsteczek amoniaku przez łatwiej adsorbowane w tych warunkach cząsteczki H2O.

Fazę regeneracj i sorbentu strumieniem gorącego purge-gazu najkorzystniej jest prowadzić pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia panującego w węźle adsorpcji i destylacji amoniaku ze strumienia purge-gazu. Gaz syntezowy z dekompresji osuszki od ciśnienia syntezy, przy jakim prowadzi się osuszanie gazu syntezowego do ciśnienia panującego w kolektorze purge-gazu odprowadza się do kolektora purge-gazu.

Po zakończeniu fazy regeneracji sorbentów i zdesorbowaniu zatrzymanej w nich wody prowadzi się wstępne chłodzenie złoża sorbentów tym samym strumieniem zimnego purge-gazu doprowadzonego do adsorbera z pominięciem wymiennika ciepła, przepuszczanego przez adsorber w tym samym kierunku w jakim przepływa gaz świeży w fazie osuszania gazu.

Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów według wynalazku, pozwala na bardzo dokładne osuszenie gazu syntezowego i na wykorzystanie purge-gazu do regeneracji osuszek bez konieczności wcześniejszego odmywania tego gazu od pozostałości amoniaku i bez konieczności budowy odrębnego układu do jego osuszania. Sposób według wynalazku eliminuje potrzebę instalowania całego układu do wydzielania kondensatu z gazu opuszczającego aparat w fazie regeneracji i dodatkowego kompresora niezbędnego do zapewnienia możliwości recyrkulacji gazu używanego do regeneracji jak ma to miejsce w przypadku, gdy gazem tym jest część strumienia gazu procesowego odbieranego na wylocie z osuszki. Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów według wynalazku pokazano w przykładach osuszania gazu z regeneracją sorbentu gazem suchym oraz gazem zawierającym 3-6% amoniaku.

Przykład I. Do półtechnicznej kolumny adsorpcyjnej o średnicy wewnętrznej 70 mm i wysokości złoża 1 m skierowano strumień 450 Nm/uUh gazu wilgotnego o zawartości 1,1% obj. H2O w temperaturze 293 K pod ciśnieniem 0,15 MPa. Na wylocie z kolumny odbierano strumień gazu osuszonego do poziomu 1 ppm H2O aż do pierwszych śladów przebicia sygnalizowanych szybkim wzrostem zawartości H2O na wyjściu. Następnie prowadzono regenerację złoża sorbentu strumieniem 170 Nm3/m²/h suchego azotu o zawartości H2O poniżej 1 ppm w czasie 10 godzin. Powtarzając kilkakrotnie fazę osuszania gazu i regeneracji sorbentu wyznaczono tym sposobem pojemność adsorpcyjną kolumny do pierwszego przebicia, która w tych warunkach regeneracji wynosi 13,1 g H2O/M0 g sorbentu.

Przykład II. Do tej samej kolumny adsorpcyjnej skierowano strumień 450 m3/m2h wilgotnego gazu o zawartości 1,1 % obj. H2O w temperaturze 293 K pod ciśnieniem 0,15 MPa. Po zauważeniu pierwszych śladów przebicia rozpoczynano fazę regeneracji złoża strumieniem 170 Nm3/m²h suchego azotu zawierającego około 5,0% amoniaku trwającą tak jak poprzednio przez okres 10 godzin. Wyznaczona analogicznie jak w przykładzie 1, przy zachowaniu powtarzalnych warunków osuszania gazu i regeneracji złoża sorbentu pojemność adsorpcyjna kolumny wynosi 14,7 g H2O/100 g sorbentu. Zawartość 5% obj. amoniaku w gazie do regeneracji pozwoliła na głębszą regenerację sita i obniżenie szczątkowej zawartości wilgoci pozostającej na sicie po zakończeniu regeneracji dzięki czemu pojemność adsorpcyjna kolumny wzrosła o ok. 12%.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób adsorpcyjnego osuszania gazu do syntezy amoniaku z termiczną regeneracją sorbentów w baterii adsorberów wypełnionych warstwami sorbentów o silnie rozwiniętej powierzchni aktywnej, poddawanych cyklicznie termicznej regeneracji w drodze przeciwprądowego przemywania adsorbera strumieniem suchego gazu ogrzanego wcześniej do temperatury 150-300°C, znamienny tym, że regenerację sorbentów prowadzi się przy użyciu suchego gazu wydmuchowego odprowadzanego z pętli syntezy amoniaku zwanego purge-gazem, jeszcze przed wymyciem wodą zawartego w nim amoniaku.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że fazę osuszania gazu syntezowego prowadzi się pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia panującego w węźle syntezy amoniaku.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że fazę regeneracji sorbentów prowadzi się pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia panującego w węźle adsorpcji i destylacji amoniaku ze strumienia purge-gazu.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po zakończeniu fazy regeneracji sorbentów i zdesorbowaniu zatrzymanej w nich wody prowadzi się wstępne chłodzenie złoża sorbentów tym samym strumieniem zimnego purge-gazu doprowadzonego do adsorbera z pominięciem wymiennika ciepła, przepuszczanego przez adsorber w tym samym kierunku w jakim przepływa gaz świeży w fazie osuszania gazu.