Отделение одноступенчатой каталитической паровоздушно-кислородной конверсии метана

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ОБЩЕЙ  ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ» 

на  тему: «ОТДЕЛЕНИЕ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПАРОВОЗДУШНО-КИСЛОРОДНОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА» 
 
 
 
 

ВЫПОЛНИЛА:

ст-ка IV курса

Специальность: «080502-с»

Шифр:407201

Комарькова С.В.

ПРОВЕРИЛА:

Тарчигина Н.Ф. 
 
 
 

Москва 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

лист

1.Задание…………………………………………………………………………..3

2.Введение…………………………………………………………………………4

3.Промышленные  методы производства синтетического  аммиака и их технико-экономическая  оценка…………………………………………………..5

4.Физико-химические  свойства процесса……………………………………….8

5.Описание технологической схемы получения азото - водородной смеси из природного газа…………………………………………………………………...9

6.Материальный расчет……………………………………………...………….11

7.Тепловой расчет……………………………………………………………….22

8. Аппаратурно-технологическое оформление конверсии метана..…………27

9.Отходы и  выбросы данного технологического  производства……………...29

10.Техника безопасности..………………………………………………………31

11.Список литературы..…………………………………………………………32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.ЗАДАНИЕ

     Выполнить материальный расчет и отразить графически. По следующим данным:

     Отделение одноступенчатой каталитической паровоздушно-кислородной конверсии метана; представительный аппарат – шахтный конвектор.

     Производительность  отделения по природному газу составляет 5500нм³/ч;

     Состав  природного газа

     Метан – 95%

     Этан  – 1%

     Азот  – 4%

     Объемное  отношение пара и газа на входе  в конвектор метана 1:1

     Температура парогазовой смеси на входе в  конвектор 600°С

     Температура газовой смеси на выходе из конвектора 830°С

     Степень конверсии метана 98%

     Состав  кислородно-воздушной смеси,

     воздух  об.% 65%

     Кислород 35%

     Состав  воздуха об.%

     Азот 78,005%

     Кислород 20,99%

     Аргон 0,96%

     Состав  технического кислорода об.% 98%

     Азот 1%

     Аргон 1%

     Соотношение метана и кислорода на входе ( по объему) 1:6

     Давление  в конвекторе (н/м²) 1,7*10⁵

     Состав  конвертированного газа соответствует  равновесному составу конвертированной окиси углерода водяным паром (Н₂, СО₂, Н₂О) при 830°С.

     2.ВВЕДЕНИЕ

     Синтетический аммиак и продукты, получаемые на его основе, имеют исключительно важное значение в развитии многих отраслей промышленности и особенно в поднятии урожайности сельскохозяйственных культур. Аммиак применяется для получения азотной кислоты, аммиачной селитры, мочевины, сульфата аммония, жидких удобрений, используется в холодильной технике, медицине и других отраслях народного хозяйства.

     Основным  сырьем для получения синтетического аммиака являются азот и водород, получаемые разными методами из различного сырья. Экономически наиболее выгодно получение смеси азота и водорода (синтез – газ) из природного газа или из попутных газов нефтяной промышленности.

     Природный газ представляет собой смесь, состав которой колеблется в довольно широких  пределах в зависимости от месторождения  газа. Однако вне зависимости от месторождения основным компонентом  является метан, содержание которого изменяется от 78 до 98%. Поэтому при изучении путей  использования природного газа будем  рассматривать его как метан.

     Получить водород из метана можно тремя способами:

     -конверсией  с водяным паром;

     -конверсией  с углекислым газом;

     -неполным  окислением кислородом.

     В том случае когда конверсию метана проводят водяным паром, нужно компенсировать расход тепла на реакцию, а азот, необходимый для синтеза аммиака, вводить извне. При конверсии углекислым газом расход тепла еще больше, а азот также нужно вводить извне. При неполном окислении метана кислородом тепло выделяется, а азот можно подавать в составе воздуха. Тепла выделяется столько, что возникает необходимость отвода его избытка.

     В данном курсовом проекте рассматривается  потенциальная схема синтеза  аммиака, включающая в себя одноступенчатую конверсию метана водяным паром. Используемый аппарат – шахтный конвектор. 

     3.ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО АММИАКА И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

     С производством синтетического аммиака  связана одна из важнейших проблем - фиксация атмосферного азота. Совершенствование производства синтетического аммиака идет по пути создания агрегатов большой единичной мощности. Критерием совершенства технологии фиксации N₂ могут служить удельные энергетические затраты на производство 1 т NH₃. В современных агрегатах, работающих по энерготехнологической схеме, удельный расход энергии составляет в среднем 33,5 ГДж/т.

     В издержках производства аммиака  энергетические затраты составляют 68%. Расход энергии на аммиачном агрегате мощностью 1360 т/сут равен 36,4 ГДж/т аммиака, в том числе 17,6 ГДж/т в качестве сырья и 18,8 ГДж/т в качестве топлива, из них 6,3 ГДж/т теряется в атмосферу.

     Стоимость аммиака зависит от метода получения H₂. Из известных способов производства Н₂ предпочтительнее парокислородная конверсия природного газа и конверсия природного газа водяным паром под давлением 3 МПа.

     Получение водорода из природного газа включает в себя следующие операции: компримирование и сероочистку природного газа в две ступени (гидрирование сероорганических соединений до сероводорода на кобальто-молибденовом катализаторе при 340—400°С и поглощение образовавшегося сероводорода оксидом цинка); паровая конверсия природного газа (первичный риформинг в радиантной камере трубчатой печи на никелевом катализаторе при давлении 3,23 МПа и температуре до 80 °С); паровоздушная конверсия (вторичный риформинг) остаточного метана кислородом воздуха и паром при одновременном обеспечении необходимого соотношения Н₂:N₂ в синтез-газе в шахтном конвертере на высокотемпературном алюмохромовом и высокоактивном Ni-катализаторах при температуре 1000—1250 °С и давлении до 3,2 МПа; конверсия оксида углерода в две ступени (в реакторе высокотемпературной конверсии на Fe-Cr катализаторе при температуре до 430 °С и в реакторе низкотемпературной конверсии на Zn-Cu катализаторе до 250°С); очистка конвертированного газа от CO₂ горячим раствором поташа при давлении 1,9— 2,73 МПа и регенерация насыщенного раствора бикарбоната калия при нагревании либо очистка с помощью моноэтаноламина; тонкая очистка газа от CO и CO₂ (метанирование) на Ni-катализаторе при температуре до 375 °С и давлении 1,9—2,7 МПа; компримирование синтез-газа, синтез аммиака при температуре 420—450 °С и давлении 3,20 МПа, конденсация и сепарация жидкого аммиака.

     Cнижение удельного потребления энергоресурсов достигается путем модернизации крупнотоннажных агрегатов в узлах предварительного подогрева воздуха, идущего на сжигание в печь конверсии, внедрения улучшенной системы удаления СО₂, оптимизации давления в процессе синтеза, регенерации водорода из продувочных газов, совершенствования конструкции конвертера синтеза аммиака, использования новых, более эффективных катализаторов и проведения ряда других мероприятий. Снижение потребления энергии - на 10%.

     Предложено  для удаления СО₂ из синтез-газа применять вместо хемосорбции СО₂ физическую абсорбцию. В качестве абсорбента используется полипропиленкарбонат вместо карбоната калия и моноэтаноламина. Растворитель регенерируют снижением давления и последующей продувкой воздухом. При этом резко снижаются затраты энергии на регенерацию растворителя, которые необходимы в случае применения моноэтаноламина. Расход пара в процессе физической абсорбции в 40 раз выше, но расход электроэнергии в 10 раз меньше. Общая экономия энергии в процессе физической абсорбции - 5-10%.

     Экономии  энергии способствует регенерация  водорода из продувочных газов. Одна из фирм США предложила регенерировать водород из продувочных газов  на криогенной установке. Регенерируемый водород направляется в компрессор синтез-газа, а остаточный газ используют в качестве топлива в печах первичной конверсии. В результате степень использования водорода повышается с 92—95% до 99,5%. Общая экономия составляет около 2,9 ГДж/т аммиака.

     Ключевой  элемент в технологии синтетического аммиака — его синтез из элементов, поэтому усилия направлены повышение  эффективности катализатора, снижение температуры процесса и создание новых, более компактных конструкций  реактора. Например, степень конверсии  может быть повышена с 16 до 22—25%, а  суммарный расход энергии снижен до 26,8 ГДж/т.аммиака.

     Дальнейшее  снижение энергозатрат при производстве NH₃ будет зависеть от выбора процесса сепарации NH₃. Если бы в производстве NH₃ удалось осуществить процесс сепарации при небольшом охлаждении, то энергию, идущую на вторичный подогрев, можно было бы сэкономить и направить на другие нужды. Экономии энергии можно добиться и снижением содержания азота в воздухе на стадии вторичной конверсии, в результате чего необходимая температура может быть достигнута сжиганием меньшего количества топлива. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССА

     Взаимодействие  метана с водой протекает на никельсодержащем катализаторе и представлено двумя  реакциями:

     СН₄+Н₂О=СО+3Н₂-Q₁;                                                                               (1)

     СН₄+Н₂О=СО+3Н₂+Q₂;                                                                              (2)

первая  из которых – эндотермическая, вторая – экзотермическая. Влияние температуры на эти реакции различно: её повышение благоприятно скажется лишь на протекании первой. Поскольку сначала нужно обеспечить наиболее полное превращение метана, то температуру процесса целесообразно повышать. При этом равновесие второй реакции сдвинется влево. Конверсия метана протекает с увеличением объема, и следовательно, низкое давление будет способствовать более полному превращению метана.

     Выбор давления в процессе конверсии метана. Итак, высокая температура и низкое давление термодинамически выгодны для конверсии метана. Но эти условия могут быть невыгодны для технологического процесса в целом. Конечная стадия - синтез аммиака - протекает при высоком давлении (30 МПа).

     Затраты энергии пропорциональны объему газа. Если конверсию метана провести при термодинамически выгодных условиях – при атмосферном давлении, то в дальнейшем нужно будет сжать более пять объемов азотоводородной смеси. Энергетические затраты будут меньше, если конверсию провести при промежуточном давлении, сжимая один объем газа – только метан. Тогда энергия сжатия существенно уменьшится. Детальные техноэкономические расчеты показали, что на стадии конверсии оптимальным будет давление 4 МПа. 
 
 
 
 

     5.ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТО – ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

     Одна  из возможных схем переработки природного газа на азото – водородную смесь показана на рисунке 1. Природный газ в сатурационной башне 1 увлажняется и поступает в теплообменник 2, на входе в который к газу добавляется пар. Нагретая паро – газовая смесь поступает в смеситель 3, в котором к ней добавляется воздух и технический кислород. Затем смесь идет в конвектор метана 4. Горячий конвертируемый газ поступает в увлажнитель 5, а оттуда в теплообменник 2. Газ отдавший в теплообменнике избыток тепла, поступает в конвектор окиси углерода 6, на входе в конвектор к газу добавляется недостающее количество пара. После конвектора газ проходит в котел – утилизатор 7 и водонагревательный теплообменник 8. Охладившись в конденсаторной башне 9, газ поступает на очистку.

     Очистка газа производится по разным технологическим  схемам. По одной из них раньше всего  освобождаются от соединений серы, причем основную часть этих соединений удаляют до конверсии метана, так  как сернистые соединения отравляют  применяемый катализатор. Затем  удаляют двуокись углерода, для чего промывают газ под давлением. Кислород, попавший в газ при промывке, и кислород, содержащийся в азоте, добавляемом для точного соответствия стехиометрическому соотношению 3:1, удаляют  вместе с остатками углекислого  газа путем поглощения медно –  аммиачным раствором или моноэтаноламином. Часто применяется тонкая очистка газа промывкой жидким азотом.

     Получается  аммиак по реакции:

     N₂+3H₂=2NH₃+92,38 кдж                                                                           (3)

     Промышленные  системы синтеза аммиака разделяются  на следующие группы: системы высокого давления (500 – 100ат) – 21% мирового производства; системы среднего давления (280 – 320ат) – 74%;

       Наиболее экономичны системы среднего давления с использованием тепла синтеза аммиака для получения пара.

     6.МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

     Расчет  производим на указанную в исходных данных производительность конвектора, то есть на 5500 нм³/ч природного газа.

     Приближенный  расчет производим в объемных единицах.

     Приход.

1. Поступает природного газа ¹v=5500нм³/ч, в том числе:

     метана

     ¹v_CH4=¹с_СН4*¹v=0,95*5500=5225нм³/ч,

     (здесь  и дальше ¹с_СН4 – содержание компонента в природном газе – в объемных долях),

     этана

     ¹v_C2H6=¹с_СН4*¹v=0,01*5500=55 нм³/ч,

     азота

     ¹v_N2=¹c_N2*¹v=0,04*5500=220 нм³/ч.

2. В конвектор метана подается воды (1:1)

     ²v=¹v=5500 нм³/ч

3. Поступает сухого воздуха ³v нм³/ч, в том числе:

     кислорода

     ³v_О2=³с_О2*³v=0,2099*³v,

     азота

     ³v_N2=³с_N2*³v=0,7805*³v,

     аргона

     ³v_Ar=³с_Ar*³v=0,0096*³v.

     Плотность сухого воздуха при нормальных условиях 1,293 кг/м³, (см.литер.4 приложение XVIII,стр.510). Масса воздуха 1,293*³v кг/ч. В этом количестве воздуха при ³t=20°С, φ=70% и влагосодержание ³d=0,01042кг/кг сухого воздуха (см.литер.4 приложение XIX,стр.511) содержится паров воды

     0,01042*1,293*³v кг/ч, или 0,01347*³v/0,8043=0,0167*³v нм³/ч.

4. Поступает технического кислорода ⁴v нм³/ч, в том числе:

     кислорода

     ⁴v_O2=⁴c_O2*⁴v=0,98*⁴v,

     азота

     ⁴v_N2=⁴c_N2*⁴v=0,01*⁴v,

     аргона

     ⁴v_Ar=⁴c_Ar*⁴v=0,01*⁴v.

     Расход.

1. Метан превращается в СО и Н₂ не полностью. По условию степень конверсии метана 98%, то есть 2% поступившего метана переходит в отходящие газы. Таким образом, в отходящих газах метана содержится

     ⁶v_CH4=0,02*¹v_CH4=0,02*5225=104 нм³/ч,

2. Азот, поступивший с природным газом, воздухом и техническим кислородом, полностью переходит в конвертированный газ, то есть

     ⁶v_N2=¹v_N2+³v_N2+⁴v_N2=220+0,7805*³v+0,01*⁴v нм³/ч.

3. Аргон из воздуха и технического кислорода также переходит в конвертированный газ

     ⁶v_Ar=³v_Ar+4v_Ar=0,0096*³v+0,01*⁴v нм³/ч.

4. Кроме метана, азота и аргона, в конвертированных газах содержится водорода ⁶v_Н2 нм³/ч, окиси углерода ⁶v_СО нм³/ч, двуокиси углерода ⁶v_СО2 нм³/ч, паров воды ⁶v_Н2О нм³/ч.

     При расчете необходимо найти шесть  неизвестных

     ³v, ⁴v, ⁶v_Н2, ⁶v_СО, ⁶v_СО2, ⁶v_Н2О.

     Составляем  систему из шести уравнений.

     По  материальному балансу углерода имеем

     ¹v_CH4+2^*1v_C2H6=⁶v_CH4+⁶v_СО+⁶v_СО2,

     где 2^*1v_C2H6 означает что из 1 моль этана образуется 2 моль СО или СО_2.

     Отсюда 

     5225+2*55=104+⁶v_СО+⁶v_СО2,

     5231-⁶v_СО-⁶v_СО2=0

     По  материальному балансу водорода имеем 

     2^*1v_CH4+3^*1v_C2H6+²v+³v_H2O=2^*6v_CH4+⁶v_H2+⁶v_Н2О,

     где 2^*1v_CH4 и 2^*6v_CH4 означает что из 1 моль метана образуются 2 моль водорода, 3^*1v_CH4 – из 1 моль этана 3 моль водорода.

     2*5225+3*55+5500+0,0167*³v-2*104-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0,

     15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.

     По  материальному балансу кислорода  имеем

     0,5^*2v+³v_О2+0,5^*3v_Н2O+⁴v_О2=0,5^*6v_CО+⁶v_СО2+0,5*⁶v_Н2О,

     0,5*5500+0,2099*³v+0,5*0,0167*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0,

     2750+0,2182*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0.

     Кроме этого, по условию общий объем  кислорода составляет 0,6 объема метана, поступающего в конвектор

     ³v_O2+⁴v_O2=0,6*¹v_СН4,

     Отсюда 

     0,2099*³v+0,98*⁴v=0,6*5225,

     0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

     Суммарный объем окиси углерода и водорода по условию должен быть в 3,3 раза больше, чем объем азота. Отсюда

     ⁶v_СО+⁶v_Н2=3,3*¹v_N2=3,3*(220+0,7805*³v+0,01*⁴v)=

     =726+2,5756*³v+0,033*⁴v,

     Отсюда

     ⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.

     Кроме этого, объемы газов связаны выражением для константы равновесия реакции конверсии окиси углерода. Для этой реакции константа может быть выражена так

     К_р===К_с                                                                   [4,стр.13]

     Так как для любого газа в смеси  справедливо уравнение 

     P_i=Р_{общ                                                                                        [4},стр.13]

     то  заменяем в выражении для константы  Р_i через v_i

     Р_общ* Р_общ*             v_CO2*v_H2

     Р_общ* Р_общ*             v_CO*v_H2O

     Константой  равновесия, выраженной через объем  газов, мы будем пользоваться и в  дальнейших расчетах.

     Для определения значения константы  равновесия К можно взять следующее уравнение

     lgK=+1,565*lgT-0,066*10^-3*Т--6,93                              [4,стр.14]

     Отсюда  для температуры 830°С, или 830+273=1103°К, находим:

     lgK=+1,565*lg1103-0,066*10^-3*1103--6,93=-0,0046; К=0,9265

     Таким образом,

     v_CO2*v_H2

     v_CO*v_H2O

     Отсюда

     ⁶v_СО2 *⁶v_Н2=0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О,

     ⁶v_СО2 *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

     Получена  система из 6 уравнений:

1. 5231-⁶v_СО-⁶v_СО2=0.
2. 15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.
3. 2750+0,2182*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0.
4. ⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.
5. 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.
6. ⁶v_СО2 *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

     Из 1-го уравнения находим ⁶v_СО2=5231-⁶v_СО. Подставим это выражение в последующие уравнения

     2) 15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.

     3) -2481+0,2182*³v+0,98*⁴v+0,5^*6v_CО-0,5*⁶v_Н2О=0.

     4) ⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.

     5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

     6) (5231-⁶v_СО) *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

     Из  2-го уравнения находим ⁶v_H2=15907+0,0167*³v-⁶v_Н2О. Подставляем полученное выражение в последующие уравнения. Умножив 3-е уравнение на 2 (для сокращения лишних дробей), имеем

     3) -4962+0,4364*³v+1,96*⁴v+⁶v_CО-⁶v_Н2О=0.

     4) ⁶v_СО+15181-2,5589*³v-0,033*⁴v-⁶v_Н2О =0.

     5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

     6) (5231-⁶v_СО) *(15907+0,0167*³v-⁶v_Н2О) -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

     Из 3-го уравнения находим

     ⁶v_Н2О=⁶v_CО+1,96*⁴v+0,4364*³v-4962.

     Подставим полученное выражение в последующие уравнения