Паровая конверсия метана в производстве технологического газа. Физико-химические основы процесса. Технологический режим. Аппаратурное оформление процесса.
Химическая схема производства HNO3.
I Получение азотно-водородной смеси.
1) очистка СН4 от сернистых соединений.
2) Паровая конверсия.
CH4+H2O↔3H2+CO-Q
3) Кислородная конверсия
СH4+0,5O2↔2H2+CO-Q
4) конверсия СО
CO+H2O↔H2+CO2+Q
5) Очистка конвертированного газа.
II Синтез NH3.
III Получение HNO3.
Принципиальная схема получения азотоводородной смеси.
1) трубчатая печь.
1 – очистка СН4
2 – трубчатая печь, паровая конверсия
3 – кислородная конверсия
4 – конверсия СО
5 – очистка СО и СО2
Синтез-газ - состоит из СО и Н2. Получают конверсией природного горючего газа с водным паром и О2, а также газификацией топлив. Сырье в производстве углеводородов, метилового спирта и др.
Синтез-газ из углеводородных газов является основным источником получения аммиака и метанола.
Конверсия газов - переработка газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.
Паровая конверсия метана при получении синтез-газа протекает по следующей реакции:
CH4+H2O↔3H2+CO-Q- реакция обратимая, эндотермическая, идет с увеличением числа молей газообразных веществ (∆V>0).
Равновесный состав газовой смеси определяется температурой и давлением в системе, а также соотношением реагирующих компонентов.
При атмосферном давлении и стехиометрическом соотношении исходных компонентов достаточно полная конверсия метана достигается при температуре примерно 800ᵒС. С увеличением расхода водяного пара такой же степени разложения метана можно достичь при более низких температурах. Применение давления существенно снижает полноту конверсии.
Для смещения равновесия вправо: Т↑ (900ᵒС), Р↓ (Р=3-4 МПа), увеличить избыток водяных паров, Н2О:СН4=2:1. Тогда степень превращения составит хА=0,9.
Также для интенсификации процесса можно использовать катализатор – Ni (Al2O3).
Для достижения остаточного содержания СН4 примерно 0,5% конверсию ведут в две стадии: паровая конверсия под давлением и паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха.
α=υH2O/υстехиом.Н2О
При 900ᵒС степень превращения 99,5%.
Природный газ сжимают в компрессоре 16, смешивают с азотоводородной смесью и подают в подогреватель 4, где реакционная смесь нагревается до 370-400ᵒС. Далее нагретый газ подвергают очистке от сернистых соединений: в реаторе 5, а затем в адсорбере 6 сероводород поглощается сорбентом. Очищенный газ смешивается с водяным паром и полученная парогазовая смесь поступает в конвекционную зону трубчатой печи 8. В радиационной камере печи размещены реакционные трубы, заполненные катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный или горючий газ. Парогазовая смесь нагревается в подогревателе 7 и затем под давлением распределяется сверху вниз по большому числу труб, заполненных катализатором. В трубчатой печи 8 выделяется большое количество тепла, и это тепло расходуется на подогрев в реакторе 9, где происходит паровоздушная конверсия. Температура на выходе 800-900ᵒС. При этой температуре газ направляется в котел-утилизатор12, вырабатывающий пар. Здесь реакционная смесь охлаждается до 500ᵒС и идет в конвертор СО I ступени10, где на железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром. Выходящая из реактора газовая смесь поступает в паровой котел 12, где охлаждается до 220ᵒС и подается в конвертор СО II ступени 11, заполненный низкотемпературным катализатором, где содержание СО снижается до 0,5%. После охлаждения конвертированный газ при температуре окр. среды поступает на очистку.
Из 13 насоса вода поступает в 12 холодильник, вода испаряется, получаем пар низкого давления. Затем пар идет в следующий 12 холодильник (400-500ᵒС). Получаем пар среднего давления и затем в последний 12 холодильник, получаем пар высокого давления. Пар поступает в трубчатую печь 7, перегревается и идет на 14 турбину. На ней вырабатывается электроэнергия. Пар теряет свои свойства и становится паром среднего давления. Идет в 15 и 16 турбины и приводит в действие насосы.
Таким образом, паровая конверсия проводится в трубчатом реакторе №8.
Смесь нагревается в 7 аппарате, добавляются водяные пары, и идет реакция.
Трубчатая печь:
Факел большой. Теплопередача идет за счет радиации (900-1000ᵒС).
1,2,3 аппараты – для очистки.