Технологические схемы химических процессов, протекающих под высоким давлением, весьма разнообразны, что обусловли­вается как различием конечных продуктов, так и способами их получения из того или иного сырья.

Схема производственного процесса включает подготовку исходного сырья и сложный комплекс механического, теплового и химического на него воздействия, в результате которого полу­чается основной продукт, зачастую сопровождаемый побочными продуктами, представляющими определенную ценность.

Единой общепринятой классификации технологических схем в химических производствах не существует; их подразделяют по агрегатному состоянию веществ в основном процессе (про­цессы в газовой, жидкой фазах и т. д.), принятому давлению (процессы при низком, высоком и сверхвысоком давлениях) , температуре, химическому процессу и исходному сырью или конечному продукту (гидрогенизация угля, синтез аммиака), по характеру процесса (периодический, непрерывный, комбиниро­ванный) и т. д. В нескольких приведенных ниже технологических схемах рассмотрены главным образом те стадии процессов, ко­торые требуют применения высоких давлений.

Процессы в газовой фазе

Подавляющее большинство газовых процессов под давлением характеризуется небольшой степенью превращения исходной газовой смеси в конечный продукт при однократном прохожде­нии ее через реакционный аппарат.

Степень превращения азотоводородной смеси при синтезе аммиака зависит от давления, температуры, объемных скоростей и катализатора и колеблется в пределах 10—40%. При гидра­тации этилена, синтезе метанола и неогексана степень превраще­ния еще меньше, всего 5—20%.

Вследствие этого многие процессы проводятся в промыш­ленности по так называемой циклической схеме синтеза, с выде­лением образовавшегося продукта после контактного аппарата и возвращением газовой смеси, не вступившей в реакцию, снова в контактный аппарат. В некоторых процессах выделение про­дуктов реакции проводится под рабочим давлением (синтезы аммиака, метанола и др.), а непрореагировавшие газы подаются обратно циркуляционными насосами. В других процессах выде­ление продуктов реакции проводится при низком давлении, и не прореагиро­вавшие газы требуют по­вторного сжатия для воз­вращения их в систему высокого давления. Тех­нические газовые смеси, вследствие колебаний тех­нологического режима, не имеют постоянного сте­хиометрического состава и, кроме того, содержат различные примеси, яв­ляющиеся балластными для данного химического процесса, как, например, метан и аргон при синте­зе аммиака. Поэтому при проведении синтеза ци­клическим путем в систе­ме может происходить на­копление как инертных примесей, так и избыточных компонентов газовой смеси, требующих удаления их из цикла.

Синтез аммиака.

Газовый синтез под высоким давлением наиболее широко распространен для производства синтетического аммиака, который требуется в большом количестве для ряда химических производств.

Синтез аммиака под давлением порядка 100 ат принято на­зывать, чисто условно, синтезом низкого давления, при 200— 300 ат — синтезом среднего давления и при 600—1000 ат — вы­сокого давления.

По количеству работающих установок наиболее распростра­нен синтез аммиака под высоким давлением. Это объясняется, в основном, тем, что схемы процессов под высоким давлением упрощаются, а также уменьшаются габариты аппаратуры и зданий.

Влияние давления, под которым проводится синтез, хорошо иллюстрирует диаграмма (рис. 1), указывающая процентное содержание аммиака в газовой смеси при различных температу­рах в зависимости от давления. Диаграмма отчасти поясняет пре­имущество применения высоких давлений при синтезе аммиака.

Рис. 1. Процентное содержание аммиака в азотоводородной смеси в зависимости от давления и температуры.

Так как увеличение давления сильно повышает производитель­ность единицы объема катализатора, причем затрата энергии на сжатие газа не пропорциональна увеличению производитель­ности.

В табл. 1 приведена производительность 1 л катализатора в колонне синтеза и расход энергии на тонну аммиака при различных давлениях, но в одинаковых производственных усло­виях, т. е. при одной и той же объемной скорости, температуре контактирования и температуре конденсации. 

ТАБЛИЦА 1.  Производительность 1 л катализатора и расход энергии на синтез 1 т аммиака при различных давле­ниях [62]

Из табл. 1 видно, что при повышении давления с 300 до 1000 ат производи­тельность единицы объема катализатора возрастает почти в два раза, при увели­чении расхода энергии всего на 17%.

Принципиальная схема одной из си­стем синтеза аммиака под давлением 800 ат изображена на рис. 2.

Газовая смесь из газгольдера сжи­мается компрессором 1 до рабочего да­вления и проходит последовательно два сетчатых фильтра 2, где очищается от масла. Затем через вентиль 3 и обратный клапан 4 смесь поступает в два последо­вательно соединенных фильтра 5, запол­ненных кольцами.

Из фильтров 5 выдувают почти чистую воду со следами масла. Очищенный от масла газ направляется в систему пред- катализа, состоящую из теплообменников 6, колонны предката- лиза 7, сепараторов и аммиачного холодильника 8. Газ из филь­тров поступает в теплообменник 6, конструкции «труба в трубе», где нагревается до температуры 130—140° и попадает в колонну предкатализа 7. Колонна имеет два слоя катализатора различ­ного состава. В первом слое окись углерода превращается в углекислоту, во втором — непрореагировавший кислород пре­вращается в воду.

Из колонны предкатализа газ возвращается в теплообмен­ник 6, где охлаждается до температуры 60°. Для конденсации паров воды газ проходит холодильник 8, такой же конструкции, как теплообменник 6. Конденсат накапливается в сепараторе 9, который периодически продувается. Оставшаяся в газе вода и углекислота связываются жидким аммиаком, который подается насосом 18 в систему после сепаратора 9. Углекислота при этом превращается в карбамат аммония. Смесь аммиака и карбамата аммония конденсируется, охлаждаясь до 0° в холодильнике 10 и змеевике холодильника 11, погруженном в кипящий аммиак. Из сепаратора 12 газ возвращается в холодильники теплообмен­ника 10 и 8 ,где нагревается до температуры 50—55° и напра­вляется к вентилю 13 на щите управления. После колонны пред- катализа содержание окиси углерода в газе не превышает 0,002% и метана — 0,05%. Хорошая очистка от метана позволяет легко поддерживать содержание инертных газов в циркуляционной си­стеме не выше 2—3%.

Из колонны синтеза 14 газ поступает в водяной холодиль­ник 15 и затем в сепаратор 16, откуда газ возвращается в си­стему инжектором 17, установленным вместо циркуляционного насоса. Сепаратор 16 имеет соленоидный регулятор уровня, бла­годаря которому жидкий аммиак непрерывно поступает из сепа­ратора в сосуд низкого давления и оттуда на склад.

Непрерывная продувка сепаратора необходима для надежной работы инжектора, так как при периодическом выпуске аммиака колеблется давление в системе и, следовательно, ме­няется величина перепада давления, что отрицательно сказы­вается на работе инжектора.

Высокая производительность синтеза аммиака по этой схеме достигается хорошей очисткой газовой смеси, позволяющей при­менять активный катализатор, уменьшением количества инерт­ных газов и заменой циркуляционного насоса инжектором, не загрязняющим газ маслом. 

Рис. 2. Схема синтеза аммиака под давлением 750—800 aт с применением предкатализа и охлаждения до температур около 0°.

1 — компрессор; 2— фильтры; 3—вентиль высокого давления; 4 — обратный клапан; 5—фильтры (депураторы); 6 — теплообменник; 7—колонна предкатализа; 5—холодильник; 9—сепаратор высокого давления; 10 — холодильник; 11—аммиачный холодильник; 12 — сепаратор; 13 — вентиль; 14—колонна синтеза аммиака; 15—водяной холодильник; 16 — сепаратор; 17—инжектор; 18—на­сос для аммиака.