Получение синтез-газа высокотемпературной конверсией углеводородов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Получение синтез-газа высокотемпературной конверсией углеводородов

Содержание

Введение

1. Теоретические основы процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

2. Аппаратурное оформление процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

3. Технология процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

Список литературы

Введение

Первые органические вещества, с которыми познакомился человек, были выделены из растительных и животных организмов или из продуктов их жизнедеятельности. Каждый растительный или животный организм представляет собой своеобразную химическую лабораторию в которой протекает множество сложнейших реакций, приводящих к образованию огромного числа органических веществ, как весьма простых (например, метан, муравьиная, щавелевая кислоты и т. п.), так и самых сложных (например, алкалоиды, стероиды, белки).

Характерной чертой органического синтеза у растений является накопление потенциальной химической энергии путем превращения в нее энергии солнечных лучей. С помощью хлорофилла на свету растения синтезируют сложнейшие органические соединения из самых простых химических веществ, в конечном счете, из двуокиси углерода, улавливаемой из воздуха, из воды и из минеральных солей, находящихся в почве. По всей вероятности, первичными продуктами фотосинтеза являются углеводы, которые в дальнейшем превращаются в жиры и белковые вещества растительных организмов. Фотосинтез у растений сопровождается выделением кислорода, который, как теперь точно установлено, образуется не из двуокиси углерода, а из воды. Таким образом, путем фотосинтеза в растениях происходит накопление сложных органических веществ. Естественно, что растения в большей мере, чем животные, служат первоисточником получения органических веществ.

Особенно богатым источником органических веществ являются древесные растения.

Наиболее давно известны термические методы переработки древесины, приводящие к разрушению содержащихся в ней сложных органических веществ с образованием более простых соединений.

1. Теоретические основы процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

Химическое производство основано на использовании в качестве сырья доступных, относительно дешевых, широко распространенных или возобновляющихся материалов. Наиболее важными природными источниками углеводородов являются природный и попутный нефтяной газы, нефть и каменный уголь. Особое внимание в последнее время также уделяется использованию отходов сельскохозяйственного производства, вторичной переработке промышленных и бытовых отходов.

1. Состав природного и попутного нефтяного газов

Запасы природного газа на нашей планете велики. Природный газ представляет собой смесь газов, состав которой в значительной мере определяется месторождением. Однако в любом случае основным компонентом является метан, объемная доля которого колеблется от 70 до 98%. Остальные компоненты - это этан, пропан, бутан, изобутан, неорганические газы (азот, углекислый и благородный газы). Чем больше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержание в природном газе.

Попутный нефтяной газ растворен в нефти или находится над ней, образуя своеобразную «газовую шапку». В процессе добычи нефти его отделяют и используют в качестве топлива или химического сырья. В попутном газе содержится значительно меньше метана и больше его гомологов, чем в природном газе.

Для практических целей попутный газ разделяют на фракции: газовый бензин (смесь пентана, гексана и других алканов), пропан-бутановая фракция (смесь пропана и бутана) и сухой газ (сходен по составу с природным).

В органическом синтезе применяют как чистый оксид углерода, так и его смеси с водородом (синтез - газ) в объемном отношении от 1:1 до 2 - 2,3:1. Оксид углерода СО представляет собой бесцветный трудно сжижаемый газ (температура конденсации при атмосферном давлении - 1920С, критическое давление 3,43 МПа, критическая температура - 1300С). С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 12,5 - 74 % (об.). Оксид углерода является весьма токсичным веществом, его предельно допустимая концентрация (ПДК) в производственных помещениях составляет 20 мг/м3. Обычные противогазы его не адсорбируют, поэтому применяют противогазы изолирующего типа или имеющие специальный гопкалитовый патрон, в котором находятся оксиды марганца, катализирующие окисление СО и СО2. Оксид углерода слабо сорбируется не только твердыми телами, но и жидкостями, в которых он мало растворим. Однако некоторые соли образуют с ним комплексы, что используют для сорбции оксида углерода водно-аммиачными растворами солей одновалентной смеси.

Водород - второй компонент синтез - газа - наиболее трудно сжижаемый газ (температура конденсации при атмосферном давлении - 252,80С). Образует с воздухом взрывоопасные смеси в пределах 4,0 - 75 % (об.) Н2. Наряду с высокой взрывоопасностью оксида углерода это предъявляет повышенные требования к технике безопасности при производстве синтез-газа, а также в цехах, где он служит сырьем для органического синтеза.

Для производства синтез-газа вначале использовали уголь. Затем преобладающее значение получила конверсия углеводородов, которую осуществляют в двух вариантах: каталитическом и высокотемпературном. Сырьем для нее может служить метан или природный газ, а также жидкие фракции нефти.

2. Применение

При сгорании предельных углеводородов выделяется большое количество тепла, поэтому природный газ является самым эффективным и дешевым топливом для теплоэлектростанций, котельных установок, доменных и стекловаренных печей. Кроме того, при сгорании метана воздух практически не загрязняется вредными веществами.

Метан природного и попутного нефтяного газов является важным сырьем для химической промышленности. Конверсией метана получают синтез-газ, а на его основе - метанол и синтетический бензин:

СН4 + Н2О СО + 3Н2

СО + 2Н2 СН3ОН

nСО + (2n + 1)Н2 СnН2n+2 + nН2О

Из метана получают ацетилен, водород, сажу, галогенопроизводные:

2СН4 C2Н2 + 3Н2

СН4 С + 2Н2

СН4 + CI2 CH3CI + НCI

Гомологи метана, содержащиеся в природном и, главным образом, в попутном нефтяном газах, после разделения на индивидуальные углеводороды идут на получение алкенов и далее полимеров. Пропан-бутановая фракция в сжиженном виде используется как бытовое топливо и топливо для карбюраторных двигателей автомобилей. Газовый бензин, получаемый из попутного газа, также является основой низкосортных бензинов.

2. Аппаратурное оформление процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

Высокотемпературная конверсия углеводородов отличается высокой температурой (1350 - 14500С) и отсутствием катализаторов. Процесс состоит в неполном термическом окислении метана или жидких фракций нефти, причем главной первичной реакцией в случае СН4 является окисление его в смесь СО, Н2О и Н2:

СН4 + О2 > СО + Н2О + Н2

В небольшом количестве образуются также СО2 и за счет реакций пиролиза углеводороды С3 и С2, в том числе ацетилен. В заключительной стадии процесса водяной пар консервирует оставшиеся углеводороды до СО и Н2, причем устанавливается равновесие между оксидами углерода, которое при высокой температуре сильно смещено в пользу СО. Видимо, при разложении ацетилена выделяется углерод (сажа), также способный к конверсии водяным паром (С + Н2О - СО + Н2). Выход сажи особенно значителен при высокотемпературной конверсии жидких углеводородов, и для его снижения в этом случае добавляют к исходному сырью водяной пар. Суммарные уравнения реакций при высокотемпературной конверсии метана и жидких углеводородов таковы:

СН4 + 0,5О2 > СО + 2Н2

CnH2n+2 + 0,5nO2 > nCO + (n+1)H2

Следовательно, соотношение Н2 и СО в зависимости от исходного сырья может меняться от 2:1 до 1:1. Кроме того, в газе находятся 2 - 3 % (об.) СО2, 0,3 - 0,5 % (об.) СН4 и до 1 % (об.) N2 и Ar.

Высокотемпературную конверсию углеводородов проводят при давлении от 2 - 3 до 10 - 14 МПа.

Конвертор для этого процесса подобен изображенному на рис. 1, за исключением того, что в нем нет ни катализатора, ни свода, на который его укладывают.

Рис. 1 Шахтная печь окислительной конверсии

Это - пустотелый аппарат, рассчитанный на высокое давление. Конвертор имеет внутреннюю изоляцию и водяную рубашку, предохраняющую корпус от действия высоких температур, а также смеситель углеводорода и кислорода, обеспечивающий быструю гомогенизацию смеси во взрывобезопасных условиях. Достоинствами процесса являются его высокая интенсивность, простота конструкции конвертора, отсутствие катализатора и нетребовательность к качеству исходного сырья. Это обуславливает все более широкое распространение высокотемпературной конверсии особенно для жидких углеводородов (вплоть до мазута и сырой нефти), которую оформляют в виде энерготехнологических схем с агрегатами большой единичной мощности.

3. Технология процесса высокотемпературной конверсии углеводородов

Технологическая схема высокотемпературной конверсии мазута представлена на рис. 2. Мазут под давлением 2 - 4 МПа подогревается до 500 - 8000С в блоке 1 рекуперации тепла горячих газов конверсии. Этот блок состоит из теплообменников и котла-утилизатора.

Подогретый мазут вводят через форсунки в смеситель конвертора 2, куда подают смесь кислорода с водяным паром. В рубашке конвертора, необходимой для охлаждения его корпуса, генерируется пар того же давления, при котором проводится конверсия. Горячие газы конверсии поступают в блок 1 рекуперации тепла. Затем из газов выделяют сажу, для чего большей частью промывают их циркулирующей водой в скруббере 3. Вода с сажей стекает в отстойник 4, куда добавляют легкую нефтяную фракцию, способную к коагуляции и извлечению сажи из водного слоя. Углеводородную суспензию сажи используют по-разному: отфильтровывают и сжигают, возвращая нефтяную фракцию на извлечение сажи, а в других случаях направляют в виде суспензии в мазуте на конверсию. Загрязненную воду из отстойника 4 возвращают на улавливание сажи в скруббер 3.

После отделения сажи газ направляют на очистку от H2S и CO2. Нередко требуется изменить соотношение H2:CO в газе в пользу водорода. Для этого служит блок конверсии оксида углерода: газ подогревают в теплообменнике 5 до 4000С, добавляют соответствующее количество пара высокого давления высокого давления и направляют смесь в конвертор, где на сплошном слое катализатора (оксиды железа, хрома и магния) происходит частичная конверсия оксида углерода (СО + Н2О - СО2). Полученный синтез-газ с требуемым соотношением Н2:СО отдает тепло поступающему на конверсию газу в теплообменнике 5, очищается от СО2 в блоке 7 и направляется потребителю.

На получение 1000 м3 смеси СО + Н2 расходуется 250 кг мазута (или 380 м3 природного газа), 250 - 270 м3 кислорода и 60 кг водяного пара. При этом в котле-утилизаторе вырабатывается 850 - 900 кг пара высокого давления.

Рис. 2 Технологическая схема высокотемпературной конверсии мазута 1. Блок рекуперации тепла, 2. Конвертор, 3. Скруббер-сажеуловитель, 4 Отстойник, 5. Теплообменник, 6. Конвертор оксида углерода, 7. Блок очистки от диоксида углерода, 8. Холодильник

высокотемпературный конверсия углеводород мазут

Список литературы

1. Габриэлян О. С., Остроумов И. Г. Химия. М., Дрофа, 2008;

2. Чичибабин А. Е. Основные начала органической химии. М., Госхимиздат, 1963. - 922 с.;

3. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М., Химия. 1988. - 592 с.;

4. Паушкин Я. М., Адельсон С. В., Вишнякова Т. П. Технология нефтехимического синтеза. М., 1973. - 448 с.;

5. Юкельсон И. И. Технология основного органического синтеза. М., «Химия», 1968.

Размещено на Allbest.ru