Отделение одноступенчатой каталитической паровоздушно-кислородной конверсии метана (стр. 2 из 5)

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,