Получение синтез-газа методом конверсии метана водяным паром

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ  
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

 (МАМИ) 
    / УНИВЕРСИТЕТ МАШИНОСТРОЕНИЯ/ 
     ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

Московский Государственный Открытый Университет

им. Черномырдина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Московский Государственный Открытый Университет

им. Черномырдина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Общая химическая технология»

Тема: «Получение синтез-газа методом конверсии метана водяным паром»

 

 

 

 

 

 

                                             Выполнил студент 4 курса

                                                                  химико-технологического факультета

                                          специальность 240401-с

                                                                               Качалина А.Е.

 

                                                                                Шифр 410258

 

 

 

 

 

Москва

2013

 

Оглавление

 

 1. Опишите способы применения синтез-газа в химической технологии. 

2. Проведите сравнительный анализ методов получения синтез-газа из различного сырья.

3. Опишите физико-химические свойства системы, положенной в основу получения смеси водорода и окиси углерода из природного газа. На основе анализа этих свойств проведите обоснование оптимального варианта технологического режима, необходимость применения катализатора и работы в 2 ступени. 

4. Приведите чертеж и обоснование  технологической схемы двухступенчатой конверсии метана водяным паром 

5. Рассчитайте и составьте материальный баланс процесса двухступенчатой конверсии метана водяным паром с получением смеси СО и Н2.

         _{Список использованной литературы} 

 

1.Опишите способы применения синтез-газа в химической технологии

 

Синтез-газ – это промежуточный продукт , получаемый в результате переработки углеводородного сырья. Технологии его получения известны достаточно давно, но они не получали применения, вследствие дешевизны и доступности нефти. Ограниченность нефтяных запасов заставила специалистов вспомнить о технологиях, позволяющих заменить традиционно используемый тип сырья на альтернативные. В качестве вариантов альтернативного сырья были названы газ и уголь. Это связано с тем что, так называемые «подтвержденные месторождения» этих ископаемых углеводородов в настоящий момент достаточно велики и намного превышают нефтяные. Единственная проблема, которую необходимо решить, это найти эффективный способ переработки угля и природного газа в обычные нефтепродукты - бензин и дизельное топливо. Именно это обстоятельство стимулирует исследования по совершенствованию существующих способов производства синтез-газа. Получение синтез-газа является первой стадией превращения природного газа и угля не только в жидкие топлива, но и химические продукты. Помимо упомянутых бензина и дизельного топлива , из синтез-газа производят : ароматические соединения,  метанол, уксусную кислоту , аммиак , олефеины и другие соединения , которые используются в качеств сырья в химической промышленности.

Синтез-газ представляет собой смесь окиси углерода и водорода. Существует много способов для его производства, например с помощью паровой конверсии или окислением метана. Эти способы обладают высокой себестоимостью. Применение катализаторов означает осуществление на поверхности катализатора ряда химических превращений,  этот метод зарекомендовал себя как более эффективный и дешевый. Эта технология стала основой для создания бортового генератора синтез-газа для автомобилей.

Преимущества бортового генератора.

Устройство, о котором пойдет речь, создавалось для того , чтобы использовать получаемый прямо на автомобиле синтез-газ в качестве водородосодержащей добавки к обычному топливу для улучшения показателей работы двигателя внутреннего сгорания. 6-10 –процентная добавка позволяет, по словам разработчиков, обеспечить устойчивую работу двигателя автомобиля на обедненных топливных смесях. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. О перспективах создания подобных устройств в свое говорил академик Я. Б. Зельдович в своей теории сгорания. Сейчас уже известно, что водородная добавка увеличивает эффективность работы двигателя и его экологические характеристики, а именно :  - расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла сокращается на 20-25 процентов

-содержание окиси углерода и еще более опасных для окружающей средыокисей азота уменьшается до норм Евро-4

- уменьшение расхода топлива на холостом ходу достигает 40 процентов. Устройство представляет собой компактный комплект , состоящий из катализаторного блока и блока управления бортовым генератором. Катализаторный блок производит конверсию в синтез-газ углеводородного топлива, в качестве которого применяются природный газ, сжиженный газ, бензин или попутный нефтяной газ. Блок управления осуществляет дозирование поступающей смеси, производит начальный запуск генератора и контролирует систему охлаждения. Разработчикам удалось создать генератор с оптимальными для применения в автомобиле массогабаритными и динамическими характеристиками. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, запуск осуществляется за 35  секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. В настоящее время приоритет , по свидетельству конструкторов, отдается оборудованию для применения на городских автобусах.

Представители разработчиков обещают,  что в случае серийного производства, генератор синтез-газа, установленный на автобусе,  будет иметь такую же стоимость, что и для легкового автомобиля, что составляет около 50 тыс.рублей. Применение на легковых автомобилях генератора синтез-газа несколько ограничено необходимостью решения задачи для оптимальной компоновки оборудования в отсеке двигателя автомобиля. Кроме того, существует общая проблема с внедрением подобных устройств, поскольку это новая, непривычная для потребителя продукция.

Эффективность применения подобных устройств не вызывает сомнений. Входе проведенных исследований совместно исследователями российских и украинских исследовательских институтов были созданы различные варианты опытных образцов автомобилей, работающих на водородном топливе. Из-за ограниченного запаса водорода на борту автомобиля испытывались варианты с комбинированным питанием водородом и бензином, а также исследовалась возможность работы автомобиля на чистом водороде.

Результаты испытаний подтвердили экологические преимущества водорода. Даже при смешанном питании двигателя водородом 5% и бензином выбросы оксида углерода снижаются в10 раз, выбросы несгоревших углеводородов – в 2-3 раза, окислов азота – в 2  раза. Топливная экономичность при работе автомобиля на бензоводородном топливе по сравнению с работой на бензине выше в среднем на 17%.

Работающий на водороде двигатель с искровым зажиганием имеет возможность качественного регулирования топливовоздушной смеси в очень широких пределах (вплоть до значений коэффициента избытка воздуха 3 и более), что с одной стороны,  оказывает перспективы существенного улучшения экономичности двигателя, а с другой –  позволяет резко снизить выбросы оксидов азота с отработавшими газами. Входе испытаний было подтверждено, что применение водородобензиновой смеси не вызывает сколько-нибудь серьёзных проблем устойчивой работы двигателя из-за увеличения циклов нестабильности рабочего процесса, в то время как улучаются эксплуатационные характеристики двигателя в условиях городской эксплуатации. Общие выбросы оксидов азота при работе транспортного средства на водородном топливе по городскому ездовому циклу в 4-5 раз меньше, чем у двигателя, работающего на углеводородном топливе.  Отработавшие газы тпрактически не содержат оксид углерода и углеводороды.

Внедрение генераторов синтез-газа на автомобильном транспорте, согласно выводам специалистов, имеет обширные возможности , как для повышения экономичности использования транспортных средств , так и для улучшения экологической обстановки в крупных городах.

Создание компактных генераторов синтез-газа стало возможным, благодаря разработкам новых типов катализаторов, использующихся для конверсии углеводородов. Они могут использоваться как для переработки природного и попутного нефтяного газов, но более интересным является применение катализаторов конверсии метанола, поскольку метиловый спирт является возобновляемым сырьем. Он может быть произведен,  например, из древесины.

 

Проведите сравнительный анализ методов получения синтез-газа из различного сырья

 

Нужно отметить, что только небольшая часть природного газа (около 5%) используется для квалифицированной переработки в химические продукты. Основная часть природного газа потребляется в качестве энергоносителя. В химической промышленности основное количество метана используется для получения синтез - газа.

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

СН4 + СО2 → 2СО + 2Н2

СН4 + 1/2О2 → СО + 2Н2

Последний в свою очередь используется для получения таких крупнотоннажных продуктов основного органического синтеза как метанол, уксусная кислота, продукты оксосинтеза.

Метан также используется для получения ацетилена, хлорметанов (СН3Сl, CH2Cl2, CHCl3), сажи.

Новое потенциальное промышленное использование метана – окислительная димеризация с образованием этана и этилена. Занимаются также разработкой таких процессов как получение метанола и формальдегида непосредственно из метана (не через синтез - газ).

Другой альтернативный источник углерода – каменный уголь. По самым скромным прогнозам его хватит на 1300 лет, тогда как запасы нефти и газа могут исчерпаться уже через 50-70 лет (может быть этот период окажется чуть больше с учетом вновь открываемых месторождений)3. В случае использования угля в качестве основного сырья для получения химических продуктов встает проблема получения водорода.

Еще один перспективный источник углерода – биомасса, объемы которой год от года растут.

Изменение сырьевой базы химической промышленности вызвано не только потребностью в использовании более дешевого и доступного необходимостью снижения энергозатрат за счет уменьшения числа стадий синтеза, повышения селективности процессов (экономия на стадиях разделения и на стоимости сырья, уменьшение расходов на утилизацию побочных продуктов), смягчения условий осуществления реакций (экономия энергии на теплообмен и компрессию).

На сегодняшний день при создании новых технологий получения продуктов основного органического синтеза все большее внимание уделяется экологической безопасности процессов. Создание малоотходных технологий, комплексная переработка отходов, защита окружающей среды – вот основные требования, предъявляемые к новым  технологиям. Качество технологии любого химического процесса с точки зрения расхода сырья и воздействия на природу характеризуется количеством отходов в килограммах на 1 кг целевого продукта – экологическим фактором Шелдона5. Этот фактор учитывает не только

 степень селективности процессов, обусловленную протеканием побочных реакций, но и природу самих реакций.

В настоящее время существуют три основных промышленных метода получения синтез-газа[9].

1. Газификация угля. Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:

C + H₂O ↔ H₂ + CO

Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах 900-1000 ^оС. Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

C + 1/2O₂↔CO

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al₂O₃) при повышенных температурах (800-900 ^оС) и давлении:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

3. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300 ^оС:

C_nH_{2n + 2} + 1/2nO₂ → nCO + (n + 1)H₂

Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти ― мазут.

Опишите физико-химические свойства системы, положенной в основу получения смеси водорода и окиси углерода из природного газа. На основе анализа этих свойств проведите обоснование оптимального варианта  технологического режима, необходимость применения катализатора и работы в 2 ступени

 

В связи с тем, что реакция конверсии метана с водяным паром сильно эндотермична, для ее осуществления требуется подвод тепла. В промышленности этот процесс проводится в трубчатых печах. В трубы пожаропрочной стали загружается никелевый катализатор, снаружи трубы обогреваются топочными газами. Такой метод конверсии нашел применение в тех случаях, когда требуется получить технический водород с минимальным содержанием азота. Процесс ведется при температуре 800 ― 82,50°С на выходе из слоя катализатора. К 1 м³ природного газа добавляют обычно 2―2,2,5 м³водяного пара. Остаточное содержание, метана в конвертированном газе составляет 1 ― 2%.

Преимущество этого метода заключается в том, что для обогрева труб могут быть использованы любые горючие газы, в том числе отходы производства. Недостатком этого метода являются большие капитальные затраты на сооружение установок и необходимость использования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

высококачественных легированных сталей.

          В тех случаях, когда имеются дешевые источники тепла для обогрева реактора, получают методом двухступенчатой конверсии природного газа.

Равновесная концентрация конвертированного газа прямо пропорциональна температуре, давлению процесса и соотношению пар : углеводород в исходной конвертируемой смеси. Процесс можно проводить в одну стадию. Однако в ряде случаев его целесообразнее вести в две стадии (две ступени).