УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ АММИАЧНОЙ ВОДЫ
APPARATUS FOR PRODUCING AMMONIA WATER

3
Изобретение относится к химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано для производства аммиачной воды марки А (содержание NH - не менее 25% мас.), которая может быть использована в различных отраслях промышленности.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является установка получения аммиачной воды, содержащая трубопровод подачи воды, трубопровод подачи аммиака и контур получения аммиачной воды, включающий в себя емкость абсорбции аммиака и холодильник (см. патент RU 2105716, C01C 1/00, опубл. 27.02.1998).
Недостатками упомянутого выше технического решения являются низкая эффективность эксплуатации, а также низкая производительность и надежность, обусловленные следующим:
- сырьем для получения аммиачной воды, в техническом решении по патенту RU 2105716 является сжиженный аммиак, получение которого представляет собой специфическую и достаточно сложную энергозатратную техническую задачу;
- в техническом решении по патенту RU 2105716 процесс получения аммиачной воды идет непрерывно, т.е. аммиак постоянно поступает со смежного производства, при этом его расход может существенно меняться в зависимости от условий процесса на последнем, что вызывает технологические сложности при обеспечении точного соотношения воды и аммиака для получения аммиачной воды требуемого качества (требуемой концентрации).
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении производительности, надежности и эффективности эксплуатации установки получения аммиачной воды, а также в повышении ее экологической безопасности, за счет исключения проскока аммиака в атмосферу.
Технический результат обеспечивается тем, что установка получения аммиачной воды (УПАВ) содержит трубопровод подачи воды, трубопровод подачи аммиака и первый контур получения аммиачной воды, включающий в себя первую емкость абсорбции аммиака и первый холодильник, а также она содержит первый и второй водяные трубопроводы, соединенные с трубопроводом подачи воды, первый и второй аммиакопроводы, соединенные с трубопроводом подачи аммиака, по которому подается поток газообразного аммиака, а также второй контур получения аммиачной воды, содержащий вторую емкость абсорбции аммиака, соединенную дыхательной трубкой со вторым скруббером, и второй холодильник, выход которого соединен трубопроводом, имеющим второй регулятор расхода со второй емкостью абсорбции аммиака, а вход - с трубопроводом отвода аммиачной воды из второй емкости абсорбции аммиака, при этом первый контур получения аммиачной воды содержит первый скруббер, соединенный с дыхательной трубкой первой емкости абсорбции аммиака, выход первого холодильника соединен трубопроводом, имеющим первый регулятор расхода с первой емкостью абсорбции аммиака, а вход - с трубопроводом отвода аммиачной воды из первой емкости абсорбции аммиака, причем первый водяной трубопровод и первый аммиакопровод соединены с входными патрубками первой емкости абсорбции аммиака, а второй водяной трубопровод и второй аммиакопровод соединены с входными патрубками второй емкости абсорбции аммиака, при этом водяные трубопроводы и аммиакопроводы снабжены запорными клапанами, обеспечивающими возможность переключения подачи воды из трубопровода подачи воды и аммиака из трубопровода подачи аммиака из первого контура во второй и из второго в первый контур, кроме того, первая емкость абсорбции аммиака снабжена датчиком температуры, связанным с первым регулятором расхода, а вторая емкость абсорбции аммиака снабжена датчиком температуры, связанным со вторым регулятором расхода.
Кроме того, на первом и втором скрубберах могут быть установлены датчики давления, а на линиях дыхания первого и второго скрубберов могут быть установлены клапаны.
Повышение производительности и эффективности эксплуатации установки получения аммиачной воды (УПАВ) обеспечивается наличием двухконтурной схемы (контуров может быть и более двух, два - минимум при данном режиме работы), при которой поток аммиака поступает на УПАВ постоянно, т.е. пока процесс абсорбции идет в одном контуре, второй готовится к поступлению аммиака - заполняется водой (конденсатом водяного пара). Как только в первом контуре получили аммиачную воду необходимой концентрации, поток аммиака переводят на абсорбцию во второй контур, тем временем первый контур освобождается от продукта (аммиачной воды) и вновь подготавливается к приему аммиака. Описанный режим работы УПАВ предполагает ее интеграцию с технологической мощностью (мощностями), в которой происходит постоянная генерация аммиака.
Надежность и эффективность эксплуатации УПАВ обеспечивается за счет производства аммиачной воды непосредственно из газообразного аммиака, миную стадию ожижения аммиака, что делает возможным использование различных источников сырья - потоков газообразного аммиака.
Также надежность и эффективность эксплуатации УПАВ обеспечивается малой чувствительностью процесса к изменяющимся параметрам сырьевого потока аммиака (расход, температура, давление) за счет наличия обратной связи между температурой в абсорбционной емкости, измеряемой соответствующим датчиком, и расходом циркулирующей охлажденной аммиачной воды, регулируемым соответствующим клапаном-регулятором. Наличие такой связи обеспечивает необходимый съем тепла, выделяемого при абсорбции аммиака, что, в свою очередь, позволяет вести процесс при постоянной температуре и достигать требуемой концентрации приготовляемого раствора. Колебание расхода аммиака в значительной степени нивелируется большим объемом абсорбента - воды или частично приготовленной аммиачной воды, циркулирующей в контуре абсорбции.
Повышение экологической безопасности установки получения аммиака обеспечивается исключением проскока аммиака в атмосферу за счет соединения первой и второй емкостей абсорбции аммиака со скруббером посредством дыхательной трубки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом и таблицами.
На Фиг. 1 показана схема установки получения аммиачной воды.
На Фиг. 2 показана схема установки получения аммиачной воды с клапаном на дыхательной линии скруббера.
В таблице 1 представлен примерный материальный баланс процесса, характеристики сырья и продуктов.
В таблице 2 представлена производительность установки получения 25% аммиачной воды.
На схеме УПАВ (фиг. 1 и фиг. 2) показаны: первая емкость абсорбции аммиака 1, первый насос 2, первый скруббер 3, первый холодильник 4, дыхательная трубка 5 первой емкости абсорбции аммиака 1, трубопровод подачи воды 6, первый водяной трубопровод 7, второй водяной трубопровод 8, трубопровод подачи аммиака 9, первый аммиакопровод 10, второй аммиакопровод 11, вторая емкость абсорбции аммиака 12, второй насос 13, второй скруббер 14, второй холодильник 15, дыхательная трубка 16 второй емкости абсорбции аммиака 12, запорные клапаны 17, 18, 19, 20, 25, 26, линия дыхания 21 первого скруббера 3, линия дыхания 22 второго скруббера 14.
На фиг. 2 показан клапан 29, установленный на линии дыхания 21 первого скруббера 3, и клапан 30, установленный на линии дыхания 22 второго скруббера 14. Также на фиг. 2 показаны трубопроводы подачи азота в абсорбционные емкости первого контура - 27 и второго контура - 28.
На выходном трубопроводе первого холодильника 4 установлен первый регулятор расхода 23, а на выходном трубопроводе второго холодильника 15 установлен второй регулятор расхода 24.
Первая емкость абсорбции аммиака 1 снабжена датчиком температуры, управляющий механизм которого связан с управляющими механизмами первого регулятора расхода 23, вторая емкость абсорбции аммиака 12 снабжена датчиком температуры, управляющий механизм которого связан с управляющими механизмами второго регулятора расхода 24.
Охлаждающей средой в первом холодильнике 4 и втором холодильнике 15 может служить воздух или вода, т.е. холодильники могут представлять собой аппараты воздушного охлаждения или водяные холодильники.
УПАВ имеет два переменно работающих контура для абсорбции газообразного аммиака.
Первый контур абсорбции газообразного аммиака включает в себя первую емкость абсорбции аммиака 1, первый насос 2, первый скруббер 3, первый холодильник 4, первый водяной трубопровод 7, соединенный с трубопроводом подачи воды 6, и первый аммиакопровод 10, соединенный с трубопроводом подачи аммиака 9.
Второй контур абсорбции газообразного аммиака содержит вторую емкость абсорбции аммиака 12, второй насос 13, второй скруббер 14, второй холодильник 15, второй водяной трубопровод 8, соединенный с трубопроводом подачи воды 6, и второй аммиакопровод 11, соединенный с трубопроводом подачи аммиака 9.
Первая 1 и вторая 12 емкости абсорбции аммиака 1 представляют собой горизонтальную полую емкость под атмосферным давлением, заполненную по уровню водой (конденсатом водяного пара) и содержащую распределитель (маточник), имеющий конструкцию, обеспечивающую равномерное распределение абсорбируемого газа по сечению емкости.
Первый входной патрубок первой емкости абсорбции аммиака 1 соединен с первым водяным трубопроводом 7, ее второй входной патрубок соединен с первым аммиакопроводом 10, а ее третий входной патрубок соединен с выходным трубопроводом первого холодильника 4. Первый входной патрубок второй емкости абсорбции аммиака 12 соединен со вторым водяным трубопроводом 8, ее второй входной патрубок соединен со вторым аммиакопроводом 11, а ее третий входной патрубок соединен с выходным трубопроводом второго холодильника 15.
Первый выходной патрубок первой емкости абсорбции аммиака 1 соединен с всасывающим трубопроводом первого насоса 2, отводящего из первого контура аммиачную воду, а ее второй выходной патрубок через дыхательную трубку 5 соединен с первым входным патрубком первого скруббера 3. Первый выходной патрубок второй емкости абсорбции аммиака 12 соединен с всасывающим трубопроводом второго насоса 13, отводящего из второго контура аммиачную воду, а ее второй выходной патрубок через дыхательную трубку 16 соединен с первым входным патрубком второго скруббера 14. Второй входной трубопровод первого скруббера 3 соединен с трубопроводом подачи воды 6. Выходной патрубок первого скруббера 3 соединен с всасывающим трубопроводом первого насоса 2. Второй входной патрубок второго скруббера 14 соединен с трубопроводом подачи воды 6. Выходной патрубок второго скруббера 14 соединен с всасывающим трубопроводом второго насоса 13.
Входной трубопровод для охлаждаемой среды первого холодильника 4 соединен с напорным трубопроводом первого насоса 2, служащим для отвода аммиачной воды из первого контура. Входной трубопровод для охлаждаемой среды второго холодильника 15 соединен с напорным трубопроводом второго насоса 13, служащим для отвода аммиачной воды из второго контура.
Первый водяной трубопровод 7 имеет запорный клапан 17, а первый аммиакопровод 10 имеет запорный клапан 19. Второй водяной трубопровод 8 имеет запорный клапан 18, а второй аммиакопровод 11 имеет запорный клапан 20. Запорные клапаны 17, 18, 19, 20 обеспечивают возможность переключения подачи воды из трубопровода подачи воды и аммиака из трубопровода подачи аммиака в первый контур из второго контура и из второго в первый контур. Запорные клапана 25 и 26 обеспечивают возможность вывода приготовленной аммиачной воды на сторону, соответственно, из первого и второго абсорбционных контуров.
УПАВ работает следующим образом.
УПАВ предназначена для производства аммиачной воды по ГОСТ 9-92 марки А из газообразного аммиака путем растворения (абсорбции) последнего в химически очищенной воде или конденсате водяного пара.
Процесс растворения аммиака в воде является равновесным и экзотермическим:
При растворении газообразного аммиака выделяется большое количество тепла (Q=8,4 ккал/моль при 20°C), которое необходимо эффективно отводить, так как с повышением температуры растворимость аммиака в воде уменьшается (а с повышением давления - увеличивается).
При атмосферном давлении и температуре 30°C равновесная концентрация аммиака в воде будет составлять 29% масс. При использовании аппаратов воздушного охлаждения такие параметры процесса как p=1 атм и t=30°C являются оптимальными для приготовления аммиачной воды требуемой марки.
2
3
Сырьем для установки получения аммиачной воды является аммиакосодержащий газ (на границе установки: температура - не выше 40°C; давление - ~ 2,0 кг/см (абс.); расход - 648 кг/час) и химочищенная вода или конденсат водяного пара (на границе установки: температура - не выше 40°C). Выходным продуктом установки является аммиачная вода (водный раствор аммиака) по ГОСТ 9-92 марки А с содержанием: аммиака (NH) - не менее 25% мас. (см. табл. 1 и табл. 2).
В основе работы УПАВ лежит схема, состоящая из двух работающих периодически абсорбционных контуров. После заполнения контура абсорбентом - водой подачу воды в него прекращают и начинают подавать аммиак до тех пор, пока не получат раствор требуемой концентрации. В этот период контур находится в работе - в стадии абсорбции. После приготовления аммиачной воды требуемой концентрации подачу аммиака в контур прекращают, а готовую аммиачную воду откачивают из абсорбционной емкости на сторону, открывая соответствующий запорный клапан 25 или 26. Подготовка контура к абсорбции и его дальнейшее включение в работу происходят следующим образом.
При открытом запорном клапане 17 вода из трубопровода подачи воды 6 поступает в первый водяной трубопровод 7 и направляется в емкость абсорбции аммиака 1 для заполнения системы и подготовки контура к абсорбции аммиака. Запорный клапан 19 на аммиакопроводе 10 в это время закрыт, и аммиак не поступает в данный контур.
Заполнение первой емкости абсорбции аммиака 1 химочищенной водой или конденсатом водяного пара с температурой не выше 40°C происходит до уровня - не менее 40% (для контроля уровня на абсорбционных емкостях предусмотрены соответствующие уровнемеры). После наполнения емкости до требуемого уровня подачу воды прекращают, закрывая запорный клапан 17. Таким образом завершается подготовка абсорбционного контура к приемке аммиака. С началом подачи аммиака в заполненную водой емкость абсорбционный контур переходит в рабочий режим и начинается стадия собственно приготовления аммиачной воды.
После открытия запорного клапана 19 из первого аммиакопровода 10 аммиак поступает во второй входной патрубок первой емкости абсорбции аммиака 1. После чего аммиак поступает в распределитель (маточник). Из распределителя аммиак поступает под слой воды, находящейся в первой емкости абсорбции аммиака 1. Таким образом, аммиак, растворяясь, образует водный раствор аммиака определенной концентрации (аммиачную воду). Аммиачная вода отводится из первой емкости абсорбции аммиака 1 через первый выходной патрубок, соединенный с всасывающим трубопроводом первого насоса 2. В результате растворения аммиака выделяется значительное количество тепла, которое снимается в контуре теплосъема в холодильнике 4.
Аммиачная вода из напорного трубопровода первого насоса 2 подается во входной трубопровод для охлаждаемой среды первого холодильника 4 и с температурой не выше 28°C возвращается обратно в первую емкость абсорбции аммиака 1. Таким образом, аммиачная вода циркулирует через первый холодильник 4, в котором снимается выделяемое в процессе абсорбции аммиака тепло.
Для поддержания температуры в первой емкости абсорбции аммиака 1 не более 30°C реализована схема автоматического регулирования температуры (датчик температуры Т в емкости) путем изменения подачи (регулирующий клапан 23) охлажденной в первом холодильнике 4 циркулирующей аммиачной воды.
Подачу аммиака в первую емкость абсорбции аммиака 1 и циркуляцию получаемого раствора через первый холодильник 4 осуществляют до тех пор, пока не будет достигнута требуемая концентрация аммиачной воды - не менее 25% мас.
После чего прекращают подачу аммиака в первую емкость абсорбции аммиака 1 посредством закрытия запорного клапана 19, одновременно открывая запорный клапан 20 и переводя, таким образом, аммиак на абсорбцию во второй контур установки - во вторую емкость абсорбции аммиака 12. К этому моменту второй контур уже готов к приему аммиака - заполнен водой (конденсатом водяного пара). Готовую аммиачную воду из первой емкости абсорбции аммиака 1 откачивают с установки, открывая запорный клапан 25.
Заполнение водой второго контура (до приема аммиака) осуществляется следующим образом. После открытия запорного клапана 18 вода из трубопровода подачи воды 6 поступает во второй водяной трубопровод 8 и далее в емкость абсорбции аммиака 12, заполняя систему второго контура.
Заполнение второй емкости абсорбции аммиака 12 химочищенной водой или конденсатом водяного пара с температурой не выше 40°C происходит до уровня - не менее 40% (для контроля уровня на абсорбционных емкостях предусмотрены соответствующие уровнемеры). После наполнения емкости до требуемого уровня подачу воды прекращают, закрывая клапан 18.
Газообразный аммиак из второго аммиакопровода 11 поступает во второй входной патрубок второй емкости абсорбции аммиака 12. После чего аммиак поступает в распределитель (маточник). Из распределителя аммиак поступает под слой воды, находящейся во второй емкости абсорбции аммиака 12. Аммиачная вода отводится из второй емкости абсорбции аммиака 12 через первый выходной патрубок, соединенный с всасывающим трубопроводом второго насоса 13.
Аммиачная вода из напорного трубопровода второго насоса 13 подается во входной трубопровод для охлаждаемой среды второго холодильника 15 и с температурой не выше 28°C возвращается обратно во вторую емкость абсорбции аммиака 12. Таким образом, аммиачная вода циркулирует через второй холодильник 15, в котором снимается выделяемое в процессе абсорбции аммиака тепло.
Для поддержания температуры во второй емкости абсорбции аммиака 12 не более 30°C реализована схема автоматического регулирования температуры путем изменения подачи охлажденной во втором холодильнике 15 циркулирующей аммиачной воды (датчик температуры Т в емкости, регулирующий клапан 24).
Подачу аммиака во вторую емкость абсорбции аммиака 12 и циркуляцию получаемого раствора через второй холодильник 15 осуществляют до тех пор, пока не будет достигнута требуемая концентрация аммиачной воды - не менее 25% мас.
Таким образом, растворение аммиака осуществляется попеременно в каждом из контуров до достижения требуемой концентрации не менее 25% мас. циркулирующего водного раствора аммиака. Поскольку процесс поглощения происходит при атмосферном давлении для приготовления раствора требуемой концентрации главным является соблюдение температурного режима в абсорбционной емкости, что обеспечивается эффективным отводом тепла абсорбции.
Во избежание проскока нерастворенного аммиака в атмосферу «дыхание» первой абсорбционной емкости 1 осуществляется через скруббер 3, а второй емкости абсорбции аммиака 12 осуществляется через скруббер 14. Также во избежание проскока нерастворенного аммиака и с целью улавливания возможных количеств аммиака первый и второй скрубберы оборудованы насадочной секцией, наверх которой, в процессе приготовления аммиачной воды, подается в небольшом количестве охлажденная вода (~ 300 кг/ч) из трубопровода подачи воды 6.
Во избежание попадания аммиака в атмосферу дыхание скрубберов 3 и 14 может перекрываться клапаном 29 и клапаном 30 (фиг. 2). При этом процесс осуществляется в среде инертного газа (например, азота), который вводится в систему по линиям 27 и 28, соответственно, в первую 1 и вторую 12 емкости абсорбции аммиака. Контроль давления в системе осуществляется датчиком давления, расположенным на скруббере. При увеличении давления азот может стравливаться в атмосферу или закрытую систему по линиям дыхания 21 и 22 путем автоматического открытия соответствующего клапана (29 или 30).
В процессе приготовления аммиачной воды осуществляют контроль концентрации аммиака в приготовляемом растворе. При достижении требуемой концентрации аммиачной воды в одной емкости абсорбции аммиака подачу аммиака переводят на вторую емкость абсорбции аммиака, которая должна быть к этому времени заполнена водой (быть «под уровнем»).
Приготовленный объем аммиачной воды откачивают на сторону (по соответствующим линиям, открывая клапана 25 или 26) и раздают потребителям. После опустошения емкости абсорбции аммиака производят повторное ее заполнение водой и тем самым замыкают цикл производства аммиачной воды по одному из контуров.
Получаемая в заявленной установке аммиачная вода марки А может быть использована в сельском хозяйстве как удобрение, а в животноводстве - для аммонизации кормов, в химической промышленности - для производства азотных удобрений, а также в производстве азотной кислоты, кальцинированной соды, взрывчатых веществ, полимеров, красителей, при электролитическом производстве марганца и ферросплавов, в холодильной промышленности в качестве хладагента, в медицине как нашатырный спирт - 10% раствор, в нефте- и газоперерабатывающей промышленности в качестве щелочного агента для антикоррозионной защиты аппаратов и трубопроводов, а также на установках демеркаптанизации легких углеводородных фракций и сжиженных углеводородных газов.
Пример материального баланса производства аммиачной воды с концентрацией 25 мас.% с использованием 50 т химочищенной воды.