Метановый процесс

Московский Государтвенный Машиностроительный Университет (МАМИ)

 

 

 

 

 

кафедра ТЭЧП

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему: 
«Метановый процесс»

 

Вариант № 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

студент:Кузнецова И.

группа:Н-47

преподаватель:Булатов М.А.

 

 

 

 

 

 

Москва,2014год

Актуальность работы.

 

При производстве цветных металлов отходящие сернистые газы в основном используются для получения серной кислоты. Так, до 1990 г. предприятия отрасли выпускали около 5,5 млн. т серной кислоты в год. В настоящее время в связи с уменьшением спроса на серную кислоту, как в России, так и за рубежом представляется актуальным рассмотреть альтернативные способы утилизации отходящих металлургических газов, в частности использование их для получения элементарной серы.

 

Проблема утилизации серы из отходящих металлургических газов является весьма важной и необходимость ее решения определяется не только экономическими факторами, но и все возрастающими требованиями по охране окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.

Необходимо отметить, что в последние годы, начиная с середины 70-х годов, был выполнен большой объем научных исследований, направленных на совершенствование технологии и оборудования металлургического производства. При этом были разработаны принципиально новые автогенные процессы плавки рудного сырья с применением технического кислорода, что позволило существенно уменьшить объемы слабосернистых газов, утилизация которых связана со значительными капитальными затратами.

Необходимость переработки высокосернистых нефтей и ужесточение экологических нормативов по выбросам сернистых соединений в атмосферу предъявляют повышенные требования к эффективности работы всех процессов нефтеперерабатывающих заводов, предназначенных для выделения и переработки сернистых соединений. Ключевая роль в решении этой проблемы принадлежит процессу получения элементной серы из сероводорода по методу Клауса, который на сегодняшний день является неотъемлемой частью практически любого НПЗ и ГПЗ.

Цель курсовой работы:                                                                                            1.Изучить физико-химические основы процесса.                                   2.Проанализировать технологию получения S с помощью СН4.                                        3.Составить материальный баланс,результаты которого занести в таблицу.     4.Определить габариты реактора: объём и высоту.                                                                 

При получении элементарной S из сернистых газов, в реакциях участвуют кроме сернистых соединений, главным образом, метан, окись углерода, углекислота и водяные пары.                                                                 Многочисленные синтезы на основе метана представляют огромный практический и теоретический интерес, так как позволяют получать ценнейшие органические соединения из природного газа практически без какой-либо предварительной переработки. Уже в настоящее время освоено промышленное производство большого количества важных продуктов из метана, в частности из него получают хлорсодержащие растворители, сероуглерод, синильную кислоту. Каталитическая конверсия метана водяным паром является основным методом производства водорода и синтез-газа.                                                      Метод для получения серы из отходящих газов основан на восстановлении сернистого ангидрида природным газом. Металлургический газ и метан смешиваются в основном ректоре в соотношении (S02+02) = 2:1                     Процесс восстановления сопровождается протеканием реакции:                           2S02 + СH4 -> S2 + С02 + 2Н20                                                                                   Реакция протекает при температуре 1250-1300 °С.                              Восстановленный газ содержит в основном сернистый ангидрид, сероводород и пары серы. После этого восстановленный газ охлаждается до 1300°С для выделения серы конденсацией. Затем газ нагревается до 2100-2200°С и поступает в узел Клауса.

Реактор-генератор представляет собой агрегат непрерывного действия, целью работы которого является осуществление реакции восстановления диоксида серы метаном:   2 S02 + СО <=> С02 + 2Н20 + 2/n Sn                                            Процесс высокотемпературного восстановления реализуется следующим образом. Отходящий газ печей поступает в форкамеры восстановительного реактора (7). Основная часть природного газа, требуемого для восстановления диоксида серы, подаётся в уже нагретый технологический газ, лишенный кислорода, благодаря чему сразу начинается процесс восстановления. Для характеристики полноты извлечения серы используется фактор состава восстановленного газа - коэффициент восстановления Кв. Структурная схема реактора-генератора представлена на рис. 1.

                                   F тех.газ                              [SO2]

Рис. 1. Структурная схема объекта управления (реактор-генератор):

Fпр.газ-расход природного газа на восстановление; Fтех.газ - расход технологического газа;

[SО2] - концентрация серы в исходном технологическом газе;

Кв - коэффициент восстановления

 

 

Технологическая схема процесса                                                          Технологическая схема процесса предусматривает предварительную мокрую очистку металлургических газов от пыли и вредных примесей и последующее восстановление диоксида серы природным газом в высокотемпературном реакторе(7).Степень конверсии диоксида серы в элементарную серу зависит от температуры и коэффициента восстановления. Максимально возможная степень конверсии 55-60 % достигается при температуре в реакционной зоне не менее 1250-1300 °С и коэффициенте восстановления, равном 5-6, который обеспечивается при условии увеличения расхода природного газа на 15-20 % по сравнению со стехиометрическим (CH4/S02 равно 0,55-

 

       I- сероводород; II- воздух; III - сера; IV- водяной пар; V- газы дожила; VI - конденсат.

     Продукты термической конверсии H2S из печи реактора П1 проходит котёл- утилизатор Т1, где они охлаждаются до 160 °С (при которой жидкая сера имеет вязкость, близкую к минимальной). Сконденсированная сера поступает через гидрозатвор в подземный сборник серы. В Т1 генерируется водяной пар с давлением 0,4 - 0,5 МПа, используемый в пароспутниках серопроводов. Далее в реакторах Р1 и Р2 осуществляется двухступенчатая каталитическая конверсия H2S и SO2 с межступенчатым нагревом газов в печах П2 и ПЗ и утилизацией тепла процесса после каждой ступени в котлах-утилизаторах Т2 и ТЗ. Сконденсированная в Т2 и ТЗ сера направляется в сборник серы.

Газы каталитической конверсии второй ступени после охлаждения в котле-утилизаторе ТЗ поступают в сепаратор - скрубер со слоем насадки из керамических колец С1, в котором освобождаются от механически унесённых капель серы.

Отходящие из сероуловителя газы направляются в печь П4, работающей на топливном газе, где при 600 - 650 °С дожигают непрореагировавшие соединения серы в избытке воздуха.

     Жидкая сера из подземного, сборника откачивается насосом на открытый подземный склад комковой серы, где она застывает и хранится до погрузки в железнодорожные вагоны.

Технологический режим установки                                                                 Давление -,03-0,05Мпа,Температура газа,ºС,в печи-реакторе П1 1100-1300,на выходе из котлов-утилизаторов 140 - 165, на входе в Р1 260 - 270, на выходе из Р1 290 - 310, на входе в Р2 225 - 235, на выходе из Р2 240 - 250, в сепараторе С1 150.

Теория процесса восстановления двуокиси серы метаном.                                          При использовании газа, содержащего 14,7% S02, S02.'CH4=2, объемной скорости п=350 ч'1 выход серы составлял: 85% при  900,                                                  82% при 800,                                                                                                                          13% при 700°С.                                                                                                                 Скорость восстановления SO2 метаном при 850-1250°С контролируется скоростью пиролиза метана.                                                                                 Скорость пиролиза описывается кинетическим уравнением первого порядка:           - d[CH4]/dt=K[CH4]=Ae“E/RT[CH4] (2)                                                          где А - коэффициент, величина которого, по данным различных авторов,находится в пределах 4*10 - 7,08* 10 ;                                                                      Е - энергия активации, в пределах 87250 - 91000 кал/моль.                                                   В дальнейших расчетах константа скорости К принята в соответствии литературными данными: для 1100 и 1250°С равной 7,08* 1013 exp(-87250/RT), [с'1].                                                                                                                      Получены следующие выражения для максимальной скорости расходования реагентов в виде уравнений первого порядка:                                               d[CH4]/dt=6,510 5 exp(-72000/RT) [СН4], [cm'V1]                         d[S02]/dt=2,7109exp(-64000/RT) [S02], [см 3 с1]                                            Обозначим расход метана через тега , расход смеси газов при температуре и давлении в зоне реакции m (л/сек), тогда степень разложения метана х может быть определена по кинетическому уравнению:                           mCH4dx/mdt=KmcH4(l-x)/ma (3)                                                                                    где a=l+0,3Nx - коэффициент увеличения объема газов в процессе реакции;              N - доля (SO2.CH4) в исходной смеси.                                                                 Подставив значение а и интегрировав (3), получим зависимость времени реакции от степени превращения СН4:                                                                               t=1/K[(l+0.3N)ln1/(l-x)-0.3NxJ (4)

2. nt Ю ш'я

На рис. представлена кинетика восстановления диоксида серы метаном при соотношении S02:CH4 = 2:1 и Т- 1200 К. Кинетические кривые демонстрируют наличие участка разгона реакций, т.е. процесс автоускоряющийся. Величина максимальной скорости распада метана в этой реакции пропорциональна его концентрации и очень слабо зависит от концентрации диоксида серы. Максимальная скорость изменения концентрации диоксида серы пропорциональна концентрации самого диоксида серы и концентрации метана, но только до момента достижения стехиометрического соотношения SC^CHi = 2. При более высоких концентрациях метана он перестает влиять на величину максимальной скорости распада диоксида серы.

 

1. Кинетика и механизм восстановления двуокиси серы метаном

При S02:CH4=1,9, отвечающим приблизительно уравнению (1), общая степень превращения SO2 и выход элементарной серы в значительной степени зависят о температуры: при 1100°С они составляют соответственно 94 и 81% за 3 сек., а при 1250°С - за 1,4 сек.;

 При 900°С степень превращения S02 равна только 83%, а выход серы не превышает 45% за 14,4 сек. Выход элементарной серы, достигаемый при 1100-1250°С за 0,76-0,34 сек. несколько выше равновесного выхода, что, по-видимому, объясняется механизмом процесса. При 900°С процесс протекает без катализатора довольно медленно и равновесие не достигается даже за 14 сек.

 При S02:CH4=2 и продолжительности реакции 0,34-12,9 сек. Общая степень превращения двуокиси серы достигает 90-95% для 20-40%- ного сернистого газа. Выход элементарной серы ниже степени превращения SO2 на 15-20 абс. % выход H2S равен 10-20%. При отношении S02:CH4= 1,3-1,45 и времени реакции 0,34-12,9 сек степень превращения SO2 составляет 100%, а выход элементарной серы 50±10%

3 .Преимущества и недостатки  метанового процесса.                                             Главный плюс метана - его практически неисчерпывающиеся запасы и невысокая себестоимость. Помимо этого, метан быстро испаряется, что облегчает процесс очистки многоразовых двигателей и топливных баков. По показателю удельного веса (имеется в виду тяга с одного килограмма топлива) топливо с метана превосходит керосин на 7-10 процентов.                                                              Отходящие газы- наиболее дешёвое сырьё, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьём является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость её переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

Основные преимущества:

 •Возможность получения относительно ценного продукта- элементарной серы содержанием основного вещества не менее 99,95%.

 • Высокая степень очистки отходящих газов от сернистого ангидрида. Концентрация сернистого ангидрида в перерабатываемом газе может быть 10-13% и выше.

 • Технологическая схема характеризуется простотой, а все оборудование может быть смонтировано на открытом воздухе.

Недостатки сушетвующего аппаратурно-технологического оформления:

 • Материалоемкое аппаратное оформление;

 •Проведение процесса требует высоких температур 1250-1300°С;

 •Неполнота использования сырья;

 •Экологически непроработанная технология. Требуется доочистка отходящих газов.

 •Неэкономичное расходование энергии.

4.Конверсия метана в синтез-газ.                                                                       Углекислотная конверсия метана в синтез-газ СО + Н2 о одна из важнейших химических реакций, пригодная для промышленного получения водорода и дающая начало синтезу углеводородов (жидкое топливо) и других технически ценных продуктов.   

 Существует три метода окислительной конверсии метана в синтез-газ:                                                                                паровая конверсия                                                                                                         СН4 + Н20 =СО + ЗН2; АН = +206 кДж/моль (1)                                                         парциальное окисление кислородом                                                                             СН4 + 1/2 02= СО + 2 Н2; АН = й35,6 кДж/моль (2)                                      углекислотная конверсия                                                                                                   СН 4 2 СО + 2 Н2 + С02; АН = +247 кДж/моль (3)

В промышленности используется практически лишь метод паровой конверсии (1). Реакцию проводят на нанесенном Ni-катализаторе при высокой температуре (7006900 °С).

Что касается реакции (2), то на ее основе фирмой Shell3 был разработан технологический процесс в некаталитическом варианте при очень высоких температурах (110061300 °С), реализованный на небольшом заводе в Малайзии. Заметим, что по последним сведениям из-за аварии этот завод сейчас не работает. Реакция (3) пока находится в стадии исследования на уровне лабораторных и пилотных испытаний. Как следует из уравнений (1)6(3), количественный состав образующегося синтез-газа в этих реакциях различный: в реакции (1) получается синтез-газ состава СО:Н2 = 1:3, в реакции (2) о смесь 1:2, в реакции (3) 6 смесь 1:1. Потребность в синтез-газе того или иного состава определяется его последующим техническим назначением. Так, для синтеза метанола требуется синтез-' газ состава 1:2