Влияние давления на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения при производстве водорода

Конверсия метана природного газа с водяным паром — основной промышленный способ производства водорода. Виды каталитических конверсий. Схема устройства трубчатого контактного аппарата. Принципиальная технологическая схема конверсии метана природного газа.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Задание на курсовой проект

Процесс конверсии метана водяным паром.

Исследовать влияние давления Т на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить изменение соотношения объёмов реакторов (объёмов катализатора) в различных режимах.

Построить графики зависимости:

Xp=f(Т) Xp=f(Р),

где Х_р -- равновесная степень превращения; Т - температура, К (интервал 900-1200 К).

X=f(Т) U=f(h),

где X - степень превращения метана в реакторе;

Т - температура в зоне реакции (на выходе из реактора), К;

h - высота реакционной зоны, м;

U- скорость реакции.

X=f(S),

где X - текущая степень превращения,

S - время реакции, с.

Vpи_B=f(Т)

V_pnc=f(Т)

Vрпв/V_pnc=f(Т),

Где V_pив - объём реактора идеального вытеснения, м³;

Vpnc - объём реактора полного смешения м³.

Некоторые условия и исходные данные процесса:

Производительность реактора по аммиаку - 1360 т/сут. Исходная смесь состоит из метана и водяного пара в соотношении 1:4, диапазон изменения температуры Т=900-1200К. Давление газа на входе в реактор 30атм. Линейная скорость газа W=l м/с. Принять конечную степень превращения Х₂ =0, 9Х_Р. Остальные данные взять из литературы.

Введение

Конверсия метана природного газа с водяным паром -- пока основной промышленный способ производства водорода. Первичный продукт конверсии метана -- это синтез-газ, который, помимо получения водорода применяется для производства метанола, высших спиртов, синтетического бензина и др. Предполагается применение синтез-газа в качестве восстановительного агента для прямого восстановления металлов (железа) из руд. Метод конверсии состоит в окислении метана водяным паром или кислородом воздуха по следующим основным уравнениям реакций:

СН₄+Н₂О-О + ЗН₂-206кДж а)

СН₄ + 0, 5О₂ - СО + 2Н₂ + 35кДж б)

Конверсия гомологов метана протекает аналогично. Далее осуществляют вторичную реакцию конверсии оксида углерода с водяным паром:

СО + Н₂О - СО₂ + Н₂ + 4\кДж

Суммарно конверсия метана с водяным паром происходит с поглощением теплоты:

СН₄ + 2Н₂О - СО₂ + 4H₂ -165кДж

При 800-1000°С значения констант равновесия реакций (а) и (б) составляют 1, 4-10⁴ и 1, 6-10¹¹ соответственно и остаточное содержание метана мало. Но скорость достижения равновесия без катализатора при этих температурах еще невелика.

Для каталитической конверсии метана применяют никелевый катализатор на носителе -- оксиде алюминия. В присутствии никелевого катализатора равновесие быстро достигается уже при 800°С. Несмотря на то что содержание СН4 в равновесном газе повышается с увеличением давления, конверсию метана выгодно проводить при повышенном давлении для увеличения скорости реакции. При этом используется естественное давление природного газа, при котором он подается на завод, -- 1 -- 4 МПа. При повышении давления уменьшаются объем аппаратуры и трубопроводов.

В промышленности реализуют конверсию метана при атмосферном или повышенном давлении с применением катализаторов (каталитическая конверсия метана) или без катализаторов (высокотемпературная конверсия метана). Применение катализаторов увеличивает скороcть процесса и

позволяет снизить температуру, поэтому преобладает каталитическая конверсия метана.

По характеру применяемого окислителя каталитическая конверсия метана подразделяется на парокислородную, которая проводится в одну ступень - окислением метана смесью воздуха и водяного пара, и на паровоздушную, которая проводится в две ступени: сперва окисление метана водяным паром (с подводом теплоты извне), а затем смесью воздуха и водяного пара.

При парокислородной конверсии метана потери теплоты в результате протекания эндотермической реакции (а) компенсируются за счет протекания экзотермической реакции (б), а также полного окисления метана кислородом. В каталитический реактор подается смесь природного газа, водяного пара и воздуха, обогащенного кислородом (40 -- 50% О₂), получаемого в цехе разделения воздуха. Температура в верхних слоях никелевого катализатора поддерживается в пределах 1050 -- 1100°С, а на выходе из реактора -- 800-- 900°С.

При паровоздушной конверсии метана первую стадию процесса осуществляют в реакторе, в трубках которого загружен катализатор, а недостаток теплоты восполняют сжиганием природного газа в межтрубном пространстве реактора (рис. 1). Температуру в зоне реакции поддерживают около 800°С.

конверсия метан производство водород

Рис. 1. Трубчатый контактный аппарат с катализатором в трубах и обогревом топочными газами:

1 - огнеупорная кладка; 2 - трубы с катализатором; А - исходная газовая смесь; Б - продукты реакции.

В этих условиях в газе остается около 8--10%СН₄. Конверсию остаточного метана осуществляют кислородом воздуха (по реакции б). На некоторых заводах применяется высокотемпературная конверсия метана,

которая проводится по реакции (б) при температуре около 1250°С. Газ, полученный этим методом, содержит сажу, которая выделяется при промывании газа горячей водой под давлением.

Продуктом конверсии метана и его гомологов служит синтез-газ, содержащий от 10 до 15% СО. Для получения водорода или азотоводородной смеси требуется дополнительная операция -- конверсия оксида углерода.

Конверсия оксида углерода с водяным паром происходит по обратимой экзотермической реакции

СО + Н₂О -СО₂ +Н₂+ 36, 6кДж(500°С)

Реакция происходит без изменения объема и поэтому повышение давления увеличивает скорость процесса, не изменяя равновесный выход водорода. Повышение содержания водяного пара в исходной газовой смеси, и понижение температуры повышает равновесный выход водорода, т. е. способствует более полному протеканию конверсии. Однако при низких температурах скорость реакции конверсии СО мала даже в присутствии катализаторов.

Для конверсии оксида углерода применяют высокотемпературный железохромовый и низкотемпературный цинк-хром-медный катализаторы. Железохромовый катализатор, промотированный оксидами алюминия, калия и кальция, обеспечивает достаточную скорость конверсии СО только при 430--500°С; в этих условиях в конвертированном газе остается 2--4% непревращённого оксида углерода. В присутствии низкотемпературного цинк-хром-медного катализатора конверсию СО можно проводить при 200-- 300°С и снизить остаточное содержание оксида углерода до 0, 2--0, 4%. Цинк-хроммедный катализатор более чувствителен к контактным ядам -- серосодержащим соединениям, чем железохромовый. С целью приближения к оптимальному температурному режиму, а также для увеличения срока службы цинк-хром-медного катализатора конверсию СО ведут в две стадии: первую стадию в присутствии высокотемпературного катализатора. Теплота реакции после первой стадии конверсии СО используется в котле-утилизаторе, в результате чего температура газа перед второй стадией конверсии СО на низкотемпературном катализаторе понижается. Полученный конвертированный газ подвергают очистке от диоксида углерода и непревращённого оксида углерода.

После удаления примесей газ представляет собой азотоводородную смесь для синтеза аммиака или водород -- в том случае, если конверсия метана проводилась в отсутствие воздуха.

Принципиальная технологическая схема конверсии метана природного газа для производства азотоводородной смеси, применяемой в синтезе аммиака, показана на рис. 2. Природный газ под давлением около 4 МПа проходит подогреватель и подвергается очистке от серосодержащих соединений каталитическим гидрированием их в сероводород с последующей адсорбцией H₂S. Очищенный газ смешивают с водяным паром в соотношении 3, 7: 1, подогревают в теплообменнике отходящими дымовыми газами до ~380°С и подают на первую ступень конверсии метана в трубчатый каталитический реактор. Конверсия метана с водяным паром по реакции (а) происходит при 800--850°С в трубках с никелевым катализатором, обогреваемых продуктами горения природного газа.

Рис. 2. Технологическая схема конверсии метана природного газа: 1 - подогреватель природного газа; 2 - реактор гидрирования сернистых соединений; 3 - адсорбер сероводорода; 4 - теплообменник; 5 - трубчатый реактор - конвертор метана; 6 - шахтный реактор - конвертор метана; 1, 9 -котёл-утилизатор; 8 - реактор конверсии СО I ступени; 10 - реактор конвертор СО II ступени; I - отходящий дымовой газ; II - природный газ; III - воздух; IV - конвертированный газ; V - водяной пар к паровым турбинам.

После первой ступени конверсии газ, содержащий 9--...