Способ синтеза аммиака

(22) Заявлено 231178 (21) 2687629/23-26 (51) М. Кл. с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -С 01 С 1/04 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийГ.К.Боресков, Н,М.Жаворонков, О.С.Чех , Ю Ю,Матрос,В.Н,Орлик, В,А.Чумаченко, В.С.Лахмост , А.М,Алексееви Ю.А.СоколинскийИнститут катализа Сибирского отделения йЯ-.СОР в в в в - (72) Авторы изобретения(54 ) СПОСОБ СИНТЕЗА АММИАКА Изобретение относится к химической технологии, а именно к синтезу аммиака.Известен способ синтеза аммиака под давлением 320 атм, включающий предварительный подогрев исходной смеси и промежуточное охлаждение газа между слоями катализатора путем байпасирования холодного газа 11.Однако для проведения синтеза необходим реактор и теплообменные устройства весьма сложной конструкции, что делает агрегат в целом ненадежным и сложным в эксплуатации.Кроме того, снижение температуры ограничено условиями процесса синтеза аммиака, так как при 480-495 С наблюдается затухание реакции в слое катализатора.20 Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ синтеза аммиака путем подачи азотводородной смеси на катализатор при давлении 100-320 атм и 300-600 оС в адиабатических условиях. С помощью инжектора создается циркуляция 60 -80 об. горячего реакционного газа, который смешивается с холодным входящим газом30 и подогревает его до температурыначала реакции 21,Недостаток известного способазаключается в том, что хотя такойприем позволяет обойтись безпредварительного внутреннего теплообменника, разбавление исходной азотводородоаммиачной смеси продуктом реакции (несконденсированным аммиаком)настолько велико, что приводит к ухудшению технологических показателейреактора,При этом способ позволяет получитьвесьма низкий прирост концентрацииаммиака за один Проход через слойкатализатора (3-6 об. ), что примерносоответствует приросту на первом слоемногослойного реактора. По этойпричине для достижения производительности многололочных колонн пришлосьбы работать с очень высокой нагрузкойпо газовому потоку, Например, длядостижения производительности 1360 тМН 3 в сутки при выходе аммиака 3,5нужна нагрузка 70000 ч ", что приобъеме катализатора 35 м составляетоколо 2,5 млн.нм/ч.Для протекания реакции синтезааммиака с заметным выходом продукта водном адиабатическом слое каталиэато510 15 20 25 30 35 40 5 50 55 ЬО 65 ра одинаково важно как создать зонувысоких температур (это увеличиваетобщую скорость процесса,), так и обеспечить снижение температуры к концуслоя(для отклонения от равновесия иувеличения тем самым выхода авекака),.В стационарных условиях такое распределение температур получить в принципе невозможно.Цель изобретения - увеличение производительности за счет выравниваниятемпературного поля реакции.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу синтезааммиака путем подачи азотводороднойсмеси на катализатор при давлении100-320 атм и 300-600 С в адиабати"ческих условиях, азотводородную смесьподают в слой катализатора, предварительно нагретого до 420-590 С, причем нагрев катализатора осуществляютпутем циклического изменения меставхода аэотводородной смеси на выходцли путем подачи в слой катализаторааэотводородной смеси с температурой,циклически изменяющейся от 20 до590 ОС.Кроме того, при циклическом изменении места входа азоводородной смеси на выход температура газа на входе в катализатор составляет 20-150 С,оа длительность цикла составляет 530 мин.При этом при подаче на поверхностькатализатора азотводородной смеси. стемпературой, циклически изменяющейся от 20 до 590 ОС, длительность цнкла составляет 10-40 мин.На фиг,1 показана принципиальнаясхема движения потоков газа в,дрямом( сплошные стрелки) и обратном (пунктирные стрелки ) направлении, нафиг,2 - профили температур и концентраций аммйака по длине слоя катализатора.Процесс синтеза аммиака ведут внестационарном режиме, создавая зонуреакции, которая движется в направлении, совпадающем с направлением подачи реакционной смеси в слой катализатора,Под зоной реакции понимается область температур 420-590 ОС, благоприятных для протекания реакции синтеза аммиака с заметной скоростью.Эона реакции может занимать 50-80длины слоя катализатора. Чтобы процесс синтеза был непрерывным и устойчивым, в нестационарном режименеобходимо удерживать движущуюсязону реакции в пределах слоя.При нестационарном режиме веденияпроцесса синтеза аммиака, благодарятепловой емкости периодически нагреваемого и охлаждаемого катализатора,температура реагирующих га:ов всегдауменьшается на выходе из слоя, Вгаком реакторе создается режим, близ"кий к теоретическому оптимальному( уменьшение температуры с ростом степени превращения смеси), в результатечего конденсация аммиака на выходезаметно превышает показатели существующих производств. Катализатор вы-,полняет при этом еще и функцию регенератора тепла, заменяя тем саьимтеплообменные устройства, которыеобычно имеются в аппаратахТеплообмен между газом и катализатором осуществляется не через стенку, а наи"более эффективнопрямым контактомгаза с частицами ктализатора.П р и м е р 1. На вход колойнысинтеза аммиака с одним аксиальнымадиабатическим слоем каталнзатораподают реакционную смесь, содержащую, В: азота 22, водорода 66, инертов 10 и аммиака 2. Объемная скоростьпотока 12000 ч-", давление 320 ати,температура смесина входе в слой20 С.До ввода реакционной смеси в реактор слой катализатора разогрет до500 С прямая О на фиг.2), В моментвремени 1=0 в слой подают реакционную смесь с температурой 20 С. В Начале слоя образуется реакционная эона с крутым градиентом температуры,которая со скоростью, примерно пропорциональной отношению теплоемкостей катализатора и реакционной смеси, движется к выходу из слоя. Придостижении заданной температуры газана выходе из колонны направление потока реакционной смеси переключаютна обратное, т.е. место вывода становится вводом и наоборот. Посленескольких переключений в реактореустанавливают периодические вынужценные колебания температурных иконцентрационных полей,, Кривая 1 соответствует профилютемпературы по длине слоя в моментвремени 4 =46 мин (после шести переключений направления потокаЪ. Кривые2 и 3 соответствуют профилям температур в моменты времени Ь=47,5 мини 1=49 мин. В момент 19 температурагаза на выходе достигает заданнойвеличины 500 фС и производят переключение направления потека, Кривые4"6 соответствуют профилям температуры в моменты времени=50 мин,52 мнн и 4;6 =54 мин, соответст 5венно. В момент 16 опять производятпереключение потока реакционной смеси так как температура на выходеУовновь достигает 500 С.На фиг.2 показан также профильконцентрации аммиака в момент переключения направления. потока кривая7). Время одного полного цикласоставляет 10 мин. Среднее содержаниеаммиака на выходе из слоя 2 в данномслучае составляет 15,8%, что на 2-3превышает показатели реактора с тремя адиабатическими слоями, работающего в стационарном режиме.И р и м .е р 2, Осуществляют аналогично примеру 1, Температура смесигазов на входе в слой .50 С, времяполного цикла составляет 9,5 мйн,Выход аммиака 8.П р и м е р 3. Осуществляют аналогично примезу 1. Давление в реакторе 1000 ати, нагрузка по газу -10000 ч, длительность цикла2-мин. Выход аммиака 12, что примерно соответствует показателям работы реакторов, работающих при дЪФленин 32 ати в стационарной режиме.П р и м е р 4, Осуществляют аналогично прймеру 1. Давление в реакторе 100 ати, длительность цикла23 мин. Выход аммиака 11,8. 33П р и м е р 5. Начальные составыреакционной смеси, расход газа идавление те же, что и в примере 1.На фиг.З приведена принципиальнаясхема движения потоков газа, обеспе- Щчивающая переменную температуру газа на.входе в слой. Слой катализатора разделен на две части - основнойслой 1, через который проходит большая часть газа, и дополнительныйслой 2, играющий роль "запала" дляслоя 1,Сплошными стрелками показано движение потока через обе части слоя.В момент пуска реактора газ нагретпосторонним источником тепла до 450 Си в обеих частях слоя возникают зоныреакции, после чего температуру газаснижают до 20 С . Зоны движутся впротивоположных направлениях с разными скоростями - через слой 2 со скоростив 0,01 м/мин, а.через слой 1со скоростью 0,1 ь/мин. После переключения направления холодного потокасквозь слой .2 на обратное (показано,пунктирной стрелкой) обе части работа ют как единый слой, причем слой 2служит "эапаломф для слоя 1. Температуру газа на входе в слой 1 повышает с 20 до 425 фС - температура на выходе из слоя 2. Когда в начале слоя 41 возникает новая эона реакции, направление потока холодного газа вновьпереключают, как показано сплошнымистрелками, и далее весь цикл повторяют.МС того времени, когда оба слояначинают работать как единое целое,температура на выходе из слоя 1 постепенно уменьшается, так как в негоне поступает свежая смесь. Таким образом,;с помощью слоя 2 осуществляется периодическое повышение темпера"туры в начале сооя 1 и создание тамгорячей зоны реакции. Длительностьцикла 14 мии, выход аммиака 15,5,40П р и м е р 6, Осуществляют ана"логично примеру 3. Температуру газана входе изменяют периодически от20 до 590 С. Выход аммиака 12, время цикла 32 мин. 65 П р и м е р 7, Осуществляют аналогично примеру 1. Состав смеси,: азота 20,8, водорода 62,6, инертов 11,5 и аймака 5,1. Объемная скорость потока 11400 ч , давление 30 ати, температура смеси на входе 40 С, длительность цикла 7. Мин. Среднее содержание аьаниака на выходе из слоя 20,85.Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известными обеспечивает при использовании существующих катализаторов следующие преимущества:1, Увеличение прироста аммиака и производительностч колонн синтеза в среднем на 2-3 эа счет создания температурных условий, близких к оптимальным, при давлениях 100-320 атм.2. Увеличение производительности проьыаленныхколонн синтеза аммиака, содержащих теплообменные устройСтва, для подогрева исходной реакционноймеси на 25-30 эа счет замены этих теплообменных устройств катализатором при соответствующем повышении нагрузки по газу.3. Упрощение конструкции колонны синтеза и системы автоматическогорегулирования процессом.4. Значительное сокращение капитальных или эксплуатационных расходов при создании новых технологических систем и возможность дальнейшего увеличения единичной мощности агрегата синтеза аммиака.формула. изобретения1. Способ синтеза амьиака путем подачи азотводородной смеси на катализатор при давлении 100-320 атм и 300-600 фС в адиабатических условиях, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения производительности за счет сглаживания температурного поля реакции, азотводородную смесь подают в слой катализатора, нагретого до 420-59 УС, причем нагрев катализатора осуществляют путем циклического изменения места входа азотводоФодной смеси на выход или путем подачи в слой катализатора азотводородной смеси с температурой, циклически изменяющейся от 20 до 590 С..2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при циклическом изменении места входа азотводородной смеси на выход температура газа на входе и катализатор составляет 20" 150 С, а длительность цикла составляоет 5-30 ьвн.3. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при подаче на поверхность катализатора азотводород" ной смеси с температурой, циклически865796 изменяющейся от 20 до 590 фС, длительность цикла составляет 10-40 мин.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Бритина Г .А . и др. Химическаяпромышленность, 1976, р 5, с.359.2. Патент Англии М 143087,кл. С 1 В, 1976 ( прототип 7. ХОО ЯОО 2,% фиа Составитель Р.Герасимовлап Техред З,Фанта Корректор С .Щом ктор Г.К Тираж 508осударственного ко ам изобретений и о Москва, Ж, Рауш з Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектна 33ВНИИПИпо де113035,ОаЕ ОК а а 7 аВ О,З аа фиг. Я Подписноетета СССРрытийая наб., д.4/5