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.