Паровая конверсия природного газа

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по Общей химической технологии

студента группы ХТ-н091

КР НТИ СКФУ – ХТМАХП – 186 - 12

Соколова В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство образования и  науки Российской Федерации 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования 
«Северо-Кавказский федеральный университет»

Факультет:                                                                   Инженерно-экономический

Кафедра:                                                                                                    ХТМАХП

                                                                                                       «УТВЕРЖДАЮ» 
                                                                                          заф. кафедрой ХТМАХП 
                                                                                     ____________Степовая Н.А. 
                                                                                   «___»____________________

КУРСОВАЯ РАБОТА 
по дисциплине: 
Общая химическая технология 
на тему: Паровая конверсия природного газа

КР НТИ СКФУ – ХТМАХП – 186 – 12

Разработал студент: _________            4 курс, группа ХТ-н091, Соколов В.В. 
                                                     (подпись)

Руководитель:           _________                                    доцент, Москаленко Л.В. 
                                                     (подпись)

 

 

К защите                                                                        Защита принята с оценкой 
______________                                                                     ______________ 
«      »          20__                                                                      «      »          20__

 

 

Невинномысск 2012

Содержание

Введение                                                                                                               4

1 Обзор промышленных методов производства                                              7

2 Характеристика сырья и готового  продукта                                                11

3 Физико - химические основы процесса                                                        14

3.1 Физико-химические основы процесса конверсии метана               14

3.2 Термодинамика и кинетика процесса конверсии метана водяным паром                                                                                                                   19

3.3 Катализаторы конверсии  метана                                                        22

4 Описание технологической   схемы                                                               25

5 Материальный баланс                                                                                 28

6 Тепловой баланс                                                                                          33

7 Обоснование выбора реактора                                                                      38

Заключение                                                                                                        42

Список использованной литературы                                                              43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В последней четверти XX столетия после  разразившегося в начале 70-х годов  нефтяного кризиса изменился  подход к источникам углеводородного  сырья. Человечество осознало, что запасы нефти на Земле не бесконечны и не восполняемы. Еще задолго до появления на Земле человека природа создала огромные количества органических веществ, законсервировала их, превратив в наиболее устойчивую форму, и спрятала в недра земли до поры до времени, до разумного использования человеком ее богатств. После энергетического шока 70-х годов взор нефтехимиков обратился в сторону природного газа как альтернативного нефти источника углеводородного сырья. Разведанные запасы природного газа превосходят аналогичные запасы нефти. Кроме того, природный газ можно отнести к возобновляемым источникам энергии и сырья. Значительные количества основных компонентов природного газа - метана и этана - образуются при бактериальном брожении биомассы растительного и животного происхождения, а также в процессах переработки органического сырья.

В настоящее время природный  газ используется в основном в  энергетических целях: тепловые электростанции на природном газе наиболее экологически чистые, пропанобутановая фракция применяется  в качестве бытового топлива, а также  как горючее для автотранспорта. В небольших количествах метан  используют в металлургической промышленности как восстановитель. Однако степень  химической переработки природного газа в ценные продукты остается на низком уровне, а значительная часть  попутного нефтяного газа сжигается  в факелах, что приводит к невосполнимой  потере ценного сырья и порождает  сложные экологические проблемы в регионах добычи. Столь расточительное отношение к ископаемым источникам сырья недопустимо и требует  незамедлительного создания новых  технологий переработки легкого углеводородного сырья.

В настоящее время конверсия  метана является основным промышленным методом получения водорода и  технологических газов для синтеза  аммиака, спиртов и других продуктов. Известны различные способы конверсии  метана. От метода конверсии зависят как технологическая, так и энергетическая схемы производства аммиака в целом. Для выбора оптимального варианта необходимо знать состав конвертированного газа, его энтальпию и эксэргию.

Расчет равновесных составов конвертированного  газа на основе известных методик  требует использования ЭВМ и  соответствующего программного обеспечения. Для упрощения этой задачи целесообразно  построить номограммы для определения  содержания отдельных компонентов  в конвертированном газе, а также  номограммы для нахождения его энтальпии  и эксэргии. В литературе приведены  номограммы только для паровой конверсии  метана, однако, имеется возможность  построения подобных номограмм и  для других способов конверсии.

Конверсия метана, являющегося основным компонентом природного газа, представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Крупнейшие газовые месторождения  имеются на Украине, Северном Кавказе, в Средней Азии, Поволжье, Сибири и других районах страны.

Природный газ бесцветен, не имеет  запаха, значительно легче воздуха, горюч и взрывоопасен. При транспортировке  по трубопроводам в природный  газ добавляют меркаптаны, обладающие резким запахом, что позволяет легко  обнаружить утечку газа, но создает  дополнительные трудности при его  переработке, так как меркаптаны — серосодержащие соединения, а  сера является ядом для всех катализаторов производства аммиака.

Состав природного газа в зависимости  от месторождения изменяется следующим  образом: метан - 55-99%, этан - 1-10 (пропан + бутан) - до 10, С₅-углеводороды и выше - 1-5%, остальное - азот, углекислый газ, сернистые соединения, гелий.

Высокое содержание гелия в природном  газе некоторых месторождений (в  частности, для Собинского месторождения  Красноярского края содержание гелия  достигает 0,6%) делает экономически целесообразным его выделение. Поэтому первичная  переработка природного газа должна включать следующие этапы:

1.  стандартные процессы осушки (для того, чтобы не образовались газогидратные пробки) и выделения кислых газов СО₂ и H₂S с последующей утилизацией сероводорода, например в процессе Клауса;

2.   выделение азота и гелия;

3.   получение чистого метана;

4.   производство С₂-С₅-углеводородов или широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).

Криогенные процессы разделения углекислого  газа, азота и гелия разработаны  и широко используются. Однако процессы химической переработки метана в  ценные продукты в большинстве случаев  находятся в исследовательской  стадии или существуют в лабораторных вариантах.

 

 

 

 

 

1 Обзор промышленных методов  производства

Синтез-газ из природного газа. Синтез-газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) является основным источником получения аммиака и метанола.

В настоящее время в России почти  весь аммиак (98%) получают из природного газа. По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водород-содержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах.

Окисление метана (основного компонента углеводородных газов) при получении  синтез-газа протекает по следующим  основным суммарным реакциям:

СН₄ + 0,5O₂ =СО + 2Н₂        DH= -35,6 кДж     (1)          

СН₄ + Н₂O= СО + ЗН             DH= 206,4 кДж   (2)           

СН₄ + СO2=2СО + 2Н₂          DH = 248,3 кДж (3)            

Аналогично осуществляются реакции  окисления гомологов метана.

В реальных условиях ведения процесса реакции (1), (2) и (3) обратимы. Константа равновесия реакции (1) в рабочем интервале температур весьма велика и превышает 10¹¹, т. е. можно считать, что реакция идет вправо до конца (кислород реагирует полностью).

Реакции (1)—( 3) протекают с увеличением объема. Так как следующие за конверсией метана процессы (очистку конвертированного газа, синтез) целесообразно вести при повышенном давлении, то для снижения затрат на сжатие предпочтительно конверсию метана проводить также под давлением.

Состав конвертированного газа должен удовлетворять определенным требованиям. Он характеризуется стехиометрическим показателем конверсии s, который различен для разных производств и составляет:

 

 Продукт        s

Водород………… (Н₂ + СО):(СН₄ + С0₂)                        5,5-10,0

Аммиак…………...(Н, + СО):N₂                                 3,05-3,10

Метанол…………..(Н₂ + СО):(СO₂ + Н₂O)                       2,0-2,2

Высшие спирты…..Н₂:СО         0,7—1,0

Заменитель

природного газа….Н₂:СН₄                                  0,07-0,30

Несмотря на существенно различные  требования к конвертированному газу, все его разновидности могут быть получены каталитической конверсией углеводородов с водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и воздухом.

Конверсия водяным паром. Равновесный состав газовой смеси определяется температурой и давлением в системе, а также соотношением реагирующих компонентов. Паровая конверсия, как указывалось, может быть описана уравнением (2).

При атмосферном давлении и стехиометрическом  соотношении исходных компонентов достаточно полная конверсия метана достигается при температуре примерно 800 °С. С увеличением расхода водяного пара такой же степени разложения метана можно достичь при более низких температурах. Применение давления существенно снижает теплоту конверсии. Так, при давлении 3 МПа достаточно полная конверсия наблюдается лишь при температуре примерно 1100 °С.

В современных установках при давлении 2 МПа и выше при соотношении  СН₄:H₂O =1:4 остаточное содержание метана после паровой конверсии составляет 8—10%. Для достижения остаточного содержания СН₄ примерно 0,5% конверсию ведут в две стадии: паровая конверсия под давлением (первая стадия) и паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха (вторая стадия). Получается синтез-газ стехиометрического состава и отпадает необходимость в разделении воздуха для получения технологического кислорода и азота.

Конверсия метана кислородом. Для получения водорода конверсией метана кислородом необходимо провести процесс по реакции неполного окисления метана. Реакция протекает в две стадии:

1. CH₄+0,5O₂=CO+2H₂     DH=-35,6 кДж   (4)

СH₄+2O₂=CO₂+2H₂O   DH=-800 кДж   (5)

2. СH₄+H₂O=CO+3H₂        DH=206,4 кДж   (6)

CH₄+CO₂=2CO+2H₂    DH=248 кДж      (7)

Значения констант равновесия реакций  первой стадии настолько велики, что эти реакции можно считать необратимыми. В связи с этим повышение концентрации кислорода в газовой смеси сверх стехиометрического не приводит к увеличению выхода продуктов.

Увеличение давления при конверсии  кислородом, как и при конверсии  водяным паром, термодинамически нецелесообразно. Чтобы при повышенных давлениях  добиться высокой степени превращения метана, необходимо проводить процесс при более высоких температурах.

Рассмотренные процессы конверсии  метана водяным паром и кислородом протекают с различным тепловым эффектом: реакции паровой конверсии эндотермические, требуют подвода теплоты; реакции кислородной конверсии экзотермические, причем выделяющейся теплоты достаточно не только для автотермического осуществления собственно кислородной конверсии, но и для покрытия расхода теплоты на эндотермические реакции паровой конверсии. Поэтому конверсию метана целесообразно проводить со смесью окислителей.