УПЛОТНЕНИЕ NO-КОМПРЕССОРА И РАСШИРИТЕЛЯ ОСТАТОЧНОГО ГАЗА В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
SEALING OF NO COMPRESSOR AND RESIDUAL GAS EXPANDER IN NITRIC ACID PLANT

Изобретение относится к способу, а также к соответствующему устройству для уплотнения NO-компрессора и расширителя остаточного газа с помощью остаточного газа в установке для получения азотной кислоты по технологии двойного давления. При этом первая уплотнительная камера в каждом случае находится рядом с подверженным воздействию газа ротором компрессора и расширителя. При этом часть остаточного газа после теплообменника отводят и разделяют на 2 частичных потока, из которых первый частичный поток направляют в первую уплотнительную камеру NO-компрессора, и второй частичный поток направляют в первую уплотнительную камеру расширителя остаточного газа. Там большая часть остаточного газа обоих частичных потоков вследствие более высокого уровня давления поступает к подверженному воздействию газа ротору через лабиринтное уплотнение, отделяющее подверженный воздействию газа ротор от первой уплотнительной камеры. Вследствие неплотностей в лабиринте остаточный газ из первой уплотнительной камеры поступает во вторую уплотнительную камеру. Этот остаточный газ в каждом случае выводят в поток отходящих газов расширителя остаточных газов.
Азотная кислота является важнейшим сырьевым веществом в химической промышленности и служит, например, в качестве основы для получения удобрений, взрывчатых веществ, а также для нитрования органических веществ при получении красителей и дезинфицирующих средств.
С начала 20-го столетия азотную кислоту получают по так называемому способу Оствальда, на котором до сих пор основывается промышленное крупномасштабное производство. В отношении этой реакции речь идет о каталитическом окислении аммиака. Образующийся монооксид азота реагирует до диоксида азота, из которого реакцией с водой получают азотную кислоту, которая может быть отделена в промывных колоннах. Этот способ описан в публикации “Anorganische Stickstoffverbindungen” («Неорганические соединения азота») авторов Mundo и Weber, издательство Carl Hanser Verlag, Мюнхен, Вена, 1982, а также в патентном документе WO 01/68520 А1.
При этом получение азотной кислоты может быть проведено по технологии единого давления или двойного давления. В способе получения под единым давлением как окисление, так и абсорбцию проводят при умеренном давлении (5 бар (0,5 МПа)) или при высоком давлении (>8 бар (0,8 МПа)). Технология двойного давления, лежащая в основе описываемого здесь изобретения, отличается от способа получения при едином давлении тем, что в ней окисление проводят при умеренном давлении, и абсорбцию выполняют при высоком давлении.
Преимущество технологии двойного давления состоит в том, что ступени давления приспособлены к каждой конкретной реакции, и тем самым обеспечивается как оптимальный выход окисления, так и компактное поглотительное оборудование.
При этом неабсорбированный остаточный газ после прохождения через стадию предварительного нагревания направляют в первый расширитель остаточного газа, чтобы снизить давление до давления окружающей среды с извлечением энергии для приведения в действие компрессора. Патентный документ DE 10207627 А1 описывает способ, в котором, например, энергию для выполнения работы получают при расширении остаточного газа, для чего используют по меньшей мере две ступени расширения, причем между ступенями расширения размещают по меньшей мере одно устройство для нагревания расширившегося перед этим остаточного газа. Полученную этим путем энергию затем используют для привода одного или более турбокомпрессоров.
Согласно прототипу, в этом способе для уплотнения NO-компрессора и расширителя остаточного газа в установке для получения азотной кислоты по технологии двойного давления применяют вторичный воздух. В отношении вторичного воздуха речь идет о сжатом воздухе, который отбирают из технологического воздуха и охлаждают в теплообменнике до температуры, необходимой для уплотнения машины.
При этом вторичный воздух направляют на безызносные гидравлические кольцевые уплотнения вала, которые требуют минимального технического обслуживания. Напротив, механические контактные уплотнительные кольца или бессальниковые насосы нуждаются в дорогостоящем фильтровании.
Зачастую разность давлений между вторичным воздухом, используемым для уплотнения устройства, и давлением поступающего газообразного NO слишком мала, вследствие чего надежное уплотнение устройства не обеспечивается. Из этих соображений вследствие более высокого давления часто применяют также воздух для КИП или технологический воздух, который соответствует невысушенному воздуху для КИП.
Кроме того, известен компрессор для нитрозных газов, который имеет лабиринтные уплотнения, а также подводящие и отводящие трубопроводы, и главным образом предназначен для удаления и предотвращения образования кристаллических солевых отложений, возникающих в уплотнениях для нитрозных газов, в котором путем специального нагнетания снаружи водяного пара достигают надлежащего повышения давления водяного пара. Способ и устройство для этого описаны в патентном документе DE 3014673 С2.
В патентном документе DE 3835341 А1 описан центробежный компрессор с горизонтальной плоскостью разъема для нитрозных газов с лабиринтными уплотнениями. Цель состоит в том, чтобы обеспечить одинаковые давления в кольцевых камерах между ступенями уплотнения и избежать перетока рабочей среды, и при этом повысить эксплуатационную надежность.
Еще один вариант исполнения уплотнения вала с целью уменьшения утечек и сокращения коррозии в турборасширителе или турбокомпрессоре представлен в патентном документе DE 102005041003 А1. В частности, это уплотнение вала отличается тем, что уплотнительные манжеты размещают в трех расположенных последовательно друг за другом уплотнительных участках так, что между каждыми двумя уплотнительными участками образуется кольцевая камера, что обращенная к внутреннему пространству турборасширителя или -компрессора кольцевая камера оснащена впускным каналом для уплотнительного газа, давление которого является более высоким, нежели давление во внутреннем пространстве турборасширителя или -компрессора, и что обращенная в сторону от внутреннего пространства турборасширителя или -компрессора кольцевая камера снабжена устройством для откачивания уплотнительного газа.
Дополнительные примеры уплотнений вала в компрессорах и расширителях представлены в патентных документах GB 1582209 А и US 20050058533 А1. Последний из них относится к двойной системе лабиринтного уплотнения, которая имеет две размещенных одна в другой камеры, причем уплотняющее действие достигается с помощью уплотнительной среды под высоким давлением, которая протекает навстречу возможным протечкам. В патентном документе GB 1582209 в качестве уплотнительной среды в компрессоре используют сжатый воздух, чтобы предотвратить поток утечки основного газа в компрессоре между ротором компрессора и неподвижными частями компрессора.
Правда, в указанных вариантах исполнения также не приведены оптимальные условия для надежного обеспечения необходимого уплотнения устройства.
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы скомпоновать уплотнение NO-компрессора и расширителя остаточного газа в установке для получения азотной кислоты таким образом, что обеспечивается надежное уплотнение устройства.
2
2
2
2
Это достигнуто с помощью способа и устройства для уплотнения NO-компрессора и расширителя остаточного газа в установке для получения азотной кислоты по технологии двойного давления, включающей ступень низкого давления, NO-компрессор, причем валы NO-компрессора уплотнены с помощью по меньшей мере 2 уплотнительных камер относительно подверженных воздействию газа деталей, ступень высокого давления с окислением и абсорбцией, по меньшей мере один теплообменник и расширитель остаточного газа, причем валы расширителя остаточного газа уплотнены с помощью по меньшей мере 2 уплотнительных камер относительно подверженных воздействию газа деталей, и все уплотнительные камеры имеют лабиринтные уплотнения. В ступень низкого давления установки для получения азотной кислоты вводят аммиак и сжатый воздух, и там аммиак окисляется с помощью катализатора до NO и воды, образующийся NO частично окисляется до NO, и насыщенный оксидами NO и NO газ направляют в NO-компрессор. Сжатый газ, насыщенный оксидами NO и NO, направляют в ступень высокого давления установки для получения азотной кислоты, где происходит окисление остаточного NO до NO, с последующей абсорбцией диоксида азота с образованием азотной кислоты. Остаточный газ, по меньшей мере через один теплообменник, вводят в расширитель остаточного газа. Первая уплотнительная камера в каждом случае находится рядом с подверженным воздействию газа ротором компрессора и, соответственно, расширителя, и часть остаточного газа после теплообменника отводят и разделяют на 2 частичных потока, из которых первый частичный поток направляют в первую уплотнительную камеру NO-компрессора, и из которых второй частичный поток направляют в первую уплотнительную камеру расширителя остаточного газа, и большая часть остаточного газа обоих частичных потоков вследствие более высокого уровня давления поступает к подверженному воздействию газа ротору через лабиринтное уплотнение, отделяющее подверженный воздействию газа ротор от первой уплотнительной камеры, и остаточный газ, проникший из соответствующей первой уплотнительной камеры в соответствующую вторую уплотнительную камеру через неплотности в лабиринте, поступает в поток отходящих газов расширителя остаточных газов.
В варианте исполнения способа остаточный газ, необходимый для уплотнительных камер, отбирают имеющим требуемую температуру и необходимое манометрическое давление после теплообменника из трубопровода для остаточного газа или из промежуточной ступени расширителя остаточного газа.
3
Например, остаточный газ после теплообменника или из промежуточной ступени расширителя остаточного газа может быть отведен с величиной расхода примерно 1200 Н·м/час при давлении 3,3 бар (манометрических) (0,33 МПа). Эти данные применимы к установке с производительностью 700-1500 тонн в день, в расчете на 100%-ную азотную кислоту.
В дополнительном варианте исполнения способа предусмотрено, что для уплотнения NO-компрессора и/или расширителя остаточного газа используют третью уплотнительную камеру, которая действует с воздухом в качестве уплотнительного газа и обеспечивает дополнительное уплотнение.
Соответствующее устройство для уплотнения NO-компрессора и расширителя остаточного газа в установке для получения азотной кислоты по технологии двойного давления включает ступень низкого давления, NO-компрессор, причем валы NO-компрессора уплотнены с помощью по меньшей мере двух уплотнительных камер относительно подверженных воздействию газа деталей, и все уплотнительные камеры имеют лабиринтные уплотнения, ступень высокого давления, по меньшей мере один теплообменник, расширитель остаточного газа, причем валы расширителя остаточного газа уплотнены с помощью по меньшей мере двух уплотнительных камер относительно подверженных воздействию газа деталей, и все уплотнительные камеры имеют лабиринтные уплотнения, устройство для введения образовавшегося NO-газа в NO-компрессор, устройство для введения, с помощью которого NO-газ поступает в ступень высокого давления установки для получения азотной кислоты, устройство, с помощью которого остаточный газ пропускают через теплообменник в расширитель остаточного газа, устройство для выведения и для распределения части остаточного газа на 2 частичных потока, подводящие трубопроводы для обоих частичных потоков к соответствующим первым уплотнительным камерам расширителя остаточного газа и NO-компрессора, причем соответствующая первая уплотнительная камера, в которую вводят остаточный газ, в каждом случае находится рядом с ротором, который уплотнен с помощью лабиринтных уплотнений, и предусмотрены отводящие трубопроводы от вторых уплотнительных камер в поток технологического газа расширителя остаточного газа.
Дополнительно предмет изобретения может быть рассчитан на то, что для уплотнения NO-компрессора и/или для уплотнения расширителя остаточного газа предусматривают третью уплотнительную камеру.
Ниже изобретение более подробно разъяснено на примере с привлечением 2 фигур:
Фиг.1: представляет блок-схему способа получения азотной кислоты согласно изобретению.
Фиг.2: представляет соответствующий изобретению вариант исполнения устройства уплотнительной камеры.
2
2
2
3
Фиг.1 показывает ступень (1) низкого давления установки для получения азотной кислоты, в которой с помощью катализатора и воздуха аммиак окисляется до NO и воды, и образовавшийся NO частично окисляется до NO. Этим путем образуется NO-газ (2), который направляют в NO-компрессор (3). Оттуда сжатый NO-газ (4) переводят в ступень (5) высокого давления. Там происходят окисление NO до NO и абсорбция NO с образованием HNO. Возникающий при этом остаточный газ (6) пропускают через теплообменник (7). Выходящий из теплообменника (7) остаточный газ (8) перед поступлением в расширитель (11) остаточного газа разделяют на два частичных потока (9) и (10) остаточного газа. При этом частичный поток (9) направляют в расширитель остаточного газа, и частичный поток (10) вновь разделяют на два частичных потока. Из них первый частичный поток (17) вводят в соответствующие первые уплотнительные камеры (22) подверженных воздействию газа валов (12, 13) расширителя остаточного газа (11), тогда как второй частичный поток (21), который получен в результате разделения частичного потока (10), направляют в соответствующие первые уплотнительные камеры (22) подверженных воздействию газа валов (14, 15) NO-компрессора (3). Альтернативно, остаточный газ для распределения на оба частичных потока может быть отобран также из промежуточной ступени (16) расширителя остаточного газа. В результате разделения потока (16) остаточного газа образуется поток (21) остаточного газа, который поступает в соответствующие первые уплотнительные камеры (22) подверженных воздействию газа валов (14, 15) NO-компрессора (3), а также поток (17) остаточного газа, который направляют в первые уплотнительные камеры (22) подверженных воздействию газа валов (12, 13) расширителя (11) остаточного газа. Остаточный газ (18), проникающий через неплотности из соответствующей первой уплотнительной камеры (22) в соответствующую вторую уплотнительную камеру (23) NO-компрессора (3), выводят в поток (20) технологического газа расширителя (11) отходящих газов с остаточным газом (19), проникающим из соответствующей первой уплотнительной камеры (22) в соответствующую вторую уплотнительную камеру (23) расширителя (11) остаточного газа.
Фиг.2 показывает вал соответствующего подверженного воздействию газа на входе или на выходе NO-компрессора (14, 15) или расширителя (12, 13) остаточного газа, например, с 3 уплотнительными камерами (22, 23, 24), пространства которых в каждом случае разграничены лабиринтными уплотнениями (25). Остаточный газ, состоящий из частичного потока (21), вводят в соответствующую первую уплотнительную камеру (22) NO-компрессора (3). Остаточный газ, состоящий из частичного потока (17), направляют в соответствующую первую уплотнительную камеру (22) расширителя (11) остаточного газа. Вследствие более высокого давления большая часть уплотнительного газа протекает через лабиринтное уплотнение (25), размещенное между ротором (27) и соответствующей первой уплотнительной камерой (22). Меньшая часть уплотнительного газа протекает через лабиринтное уплотнение (25), которое пространственно отделяет первую уплотнительную камеру (22) от второй уплотнительной камеры (23), и выводится в качестве потока (18 или 19) отходящих газов. При этом номером позиции (18) обозначен поток отходящих газов из второй уплотнительной камеры NO-компрессора, и номером позиции (19) поток отходящих газов из второй уплотнительной камеры расширителя остаточного газа.
Дополнительное уплотняющее действие достигается путем расширения с помощью третьей уплотнительной камеры. Таковая также отделена лабиринтным уплотнением от окружающей среды и действует при подаче воздуха.
Преимущества, которые предоставляются изобретением:
- отбираемый остаточный газ уже имеет температуру, необходимую для оптимального уплотнения NO-компрессора и/или расширителя остаточного газа;
- отбираемый остаточный газ уже имеет давление, необходимое для оптимального уплотнения NO-компрессора и/или расширителя остаточного газа;
- соблюдением оптимальной температуры и оптимального давления остаточного газа, который используют для уплотнения устройства, может быть обеспечено надежное уплотнение;
- для уплотнения устройства не нужно подавать никакого дополнительного газа, благодаря чему возможна экономичная эксплуатация установки.
Список кодовых номеров позиций
1
Ступень низкого давления
2
NO-газ
3
NO-компрессор
4
Сжатый NO-газ
5
Ступень высокого давления
6
Остаточный газ из ступени высокого давления
7
Теплообменник
8
Остаточный газ из теплообменника
9
Частичный поток 1 из теплообменника
10
Частичный поток 2 из теплообменника
11
Расширитель остаточного газа
12
Подверженный воздействию газа вал, оснащенный уплотнительными камерами, на входе в расширитель остаточного газа
13
Подверженный воздействию газа вал, оснащенный уплотнительными камерами, на выходе из расширителя остаточного газа
14
Подверженный воздействию газа вал, оснащенный уплотнительными камерами, на входе в NO-компрессор
15
Подверженный воздействию газа вал, оснащенный уплотнительными камерами, на выходе из NO-компрессора
16
Поток остаточного газа из промежуточной ступени расширителя остаточного газа
17
Частичный поток после разделения потока остаточного газа 10 или 16
18
Поток отходящих газов из второй уплотнительной камеры NO-компрессора
19
Поток отходящих газов из второй уплотнительной камеры расширителя остаточного газа
20
Поток отходящих газов из расширителя остаточного газа
21
Частичный поток после разделения потока остаточного газа 10 или 16
22
Первая уплотнительная камера
23
Вторая уплотнительная камера
24
Третья уплотнительная камера
25
Лабиринтные уплотнения
26
Воздух
27
Ротор.