Риформинг аммиака

Риформинг аммиака — определение

Риформинг аммиака представляет собой технологический процесс каталитического преобразования природного газа в синтез-газ, используемый в дальнейшем для производства аммиака. Процесс осуществляется при:

• температурах: 850–950 °C,
• давлении: до 4,5 МПа,
• с применением специализированных катализаторов.

Технология является базовой для современных производств азотных удобрений и соответствует требованиям действующих нормативных документов.

Подготовка природного газа

В качестве исходного сырья используется природный газ, поступающий из газопроводной сети при:

• давлении: 1 МПа,
• температуре: от –40 °C до +35 °C.

Перед подачей в установку газ проходит через газорегуляторную станцию (ГРС), где давление снижается с 4,5 МПа до 1 МПа. Поддержание стабильного давления на уровне 1 МПа в заводской системе обеспечивает безопасную и надёжную эксплуатацию оборудования.

Компрессия газа

Для обеспечения условий каталитического риформинга природный газ сжимается до 4,5 МПа с использованием газового компрессора. Процесс сжатия осуществляется по политропическому закону.

• Температура на выходе: ≤ 200 °C — предотвращает термическое повреждение оборудования;
• Контроль температуры: обязательный элемент эксплуатационного режима.

Сепарация и защита от гидроударов

Перед компрессорной ступенью устанавливается сепарационное устройство для удаления конденсата, образующегося при охлаждении газа. Попадание конденсата в компрессор может вызвать гидроудар и повреждение оборудования.

Удалённый конденсат направляется в топливную сеть, что способствует:

• рациональному использованию энергоресурсов,
• повышению общей эффективности процесса.

Подогрев газа

Для предотвращения конденсации влаги и обеспечения стабильной работы компрессора температура газа на входе поддерживается в диапазоне 20–35 °C с помощью обогревательного устройства. Это особенно важно в условиях низких наружных температур и критично для надёжности компрессионной системы.

Первичный риформинг аммиака

Первичный риформинг — начальная стадия процесса, осуществляемая в трубчатой печи. Природный газ смешивается с водяным паром в соотношении пар/углерод 2,8–3,5:1.

• Реакция — эндотермическая, требует внешнего подвода тепла (топка печи);
• Температура в реакционных трубах: 850 °C;
• Давление: 3–4,5 МПа;
• Выход синтез-газа: 85–90 % от теоретического.

Принцип работы печи риформинга аммиака

Печь функционирует на основе каталитического преобразования углеводородов. Реакционные трубы, заполненные катализатором, расположены в топке, где тепло от сжигания топлива передаётся через стенки труб.

Основная реакция:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

• Отклонение температуры на 10 °C снижает выход продукта на 3–5 %;
• КПД современных печей — до 92 %.

Катализаторы в риформинге

Катализаторы снижают энергию активации и ускоряют реакцию. Их состав:

• Носитель: оксид алюминия (γ-Al₂O₃);
• Активные компоненты: платина, рений, иридий.

Применяются:

• отечественные: РБ, КР, ПР;
• зарубежные: R (UOP), RG (Procatalyse).

Подготовка:

• осерение и восстановление перед вводом;
• срок службы: 3–5 лет (с заменой по регламенту ТО).

Производство катализаторов

Технологический цикл включает:

1. формирование носителя на основе γ-Al₂O₃;
2. нанесение активных компонентов методом пропитки;
3. сушку при 120 °C;
4. прокаливание при 500–600 °C.

Результат:

• пористая структура,
• удельная поверхность — 150–200 м²/г,
• высокая каталитическая активность.

Все партии проходят испытания на пилотных установках и сертифицируются по ГОСТ и ТУ.

Оборудование для риформинга

В состав технологической системы входят:

• Разделители сред: РС-21, РС-21-03 — для защиты манометров;
• Сферические краны: КСМ-35, КСМ-35-3 — для герметичного отсечения.

Технические параметры:

• рабочее давление: до 35 МПа;
• температура: до 400 °C;
• материалы: нержавеющая сталь;
• соединения: резьбовые или под приварку.

Конструкции обеспечивают высокую надёжность и соответствуют требованиям промышленной безопасности.

Риформинг в производстве аммиака

Риформинг — ключевой этап получения водорода для синтеза NH₃:

• На 1 тонну аммиака расходуется до 28 000 м³ природного газа;
• 85 % — непосредственно на риформинг;
• Удельные энергозатраты: 28–32 ГДж/т (70–80 % от общего потребления завода).

Эффективность риформинга напрямую влияет на экономическую целесообразность производства.

Очистка сырья

Перед подачей в реактор газ проходит гидроочистку для удаления:

• серы,
• хлора,
• мышьяка.

Концентрация примесей > 0,1 ppm отравляет катализатор.

• Процесс: 300–400 °C в присутствии водорода;
• Образуются H₂S и HCl, улавливаемые на адсорбентах;
• Цель: защита катализатора и стабильность процесса.

Температурный контроль

• Температура на выходе из печи контролируется сертифицированными датчиками;
• Отклонение > 15 °C требует коррекции режима;
• Регулирование горелок — автоматизированной системой управления;
• Удельный расход топлива: 1,2–1,5 ГДж/т аммиака;
• Баланс топлива критичен для полноты конверсии и энергоэффективности.

Давление в системе

• Оптимальное давление: 3–4,5 МПа;
• > 4,5 МПа — рост энергозатрат;
• Компрессорная установка: до 15 МВт (≈25 % от общего энергопотребления завода);
• Выбор давления — на основе технико-экономического обоснования.

Эффективность процесса

• Степень конверсии метана: до 95 %;
• Потери: (побочные реакции);
• Выход водорода: 3,2 м³/м³ газа (теоретический максимум — 3,33);
• Ежегодное старение катализатора снижает выход на 5–7 %.

Безопасность

Процесс относится к взрыво- и пожароопасным. Оборудование оснащено:

• системами аварийного отключения,
• предохранительными клапанами,
• датчиками метана для обнаружения утечек.

Требования:

• ежегодное обучение персонала по промышленной безопасности;
• сертификация по ГОСТ Р и ISO.

Экологические аспекты

• Образование CO₂: 1,6–2,0 т/т аммиака;
• Внедряются технологии:
  • улавливания и хранения углерода (CCS),
  • переход на «зелёный» водород;
• Устанавливаются энергоэффективные печи, соответствующие современным экологическим стандартам.

Модернизация установок

Модернизация включает:

• замена труб на жаропрочную сталь Х23Н18 (ресурс — до 100 000 часов);
• применение катализаторов повышенной активности;
• внедрение автоматизации на базе PLC.

Результат:

• снижение удельного расхода газа на 8–12 %;
• технические решения — индивидуально, по согласованию с инженерами предприятия.

Печь риформинга аммиака

Крупногабаритный агрегат:

• высота: до 15 м,
• ширина: 6–8 м,
• масса: 200–400 т.

Внутри:

• 200–400 реакционных труб,
• длина: 10–12 м,
• диаметр: 100–150 мм.

Условия эксплуатации:

• температура: до 950 °C,
• давление: до 4,5 МПа,
• сопротивление ползучести;
• срок службы: 10–15 лет (при соблюдении регламента ТО).

Риформинг тяжёлых углеводородов

При наличии пропана, бутана, гептана в газе:

• температура может достигать 950 °C — для предотвращения коксообразования;
• кокс снижает теплоотдачу и вызывает засорение труб;
• меры: предварительная очистка или двухступенчатая схема риформинга.

Особенности каталитического риформинга

Отличие от термического:

• применение активных катализаторов,
• снижение температуры на 100–150 °C,
• сокращение расхода топлива.

Биметаллические катализаторы:

• платина: 0,3–0,6 %,
• рений — для стабильности,
• увеличенный срок службы и высокая селективность.

Изготовление оборудования

Печи риформинга изготавливаются по индивидуальным техническим заданиям:

• этапы: проектирование → изготовление → сборка → наладка;
• контроль — со стороны инженерного состава;
• срок — по запросу, зависит от мощности и сложности;
• соответствие: Ростехнадзор, ГОСТ, ТУ.

Заключение

Риформинг аммиака остаётся ключевой технологией в азотной промышленности, обеспечивающей надёжное и эффективное производство водорода для синтеза NH₃.

Современные решения направлены на:

• повышение энергоэффективности,
• снижение экологической нагрузки,
• соответствие международным стандартам.

Перспективы развития связаны с:

• интеграцией технологий улавливания CO₂,
• использованием «зелёного» водорода.

Оборудование и процессы разрабатываются с учётом индивидуальных требований заказчика и проходят строгую инженерную экспертизу на всех этапах.