Анализ процесса получения азотоводородной смеси из природного газа и атмосферного воздуха. Характеристика стадии конверсии оксида углерода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Анализ процесса получения азотоводородной смеси из природного газа и атмосферного воздуха. Характеристика стадии конверсии оксида углерода

Введение

Азот относится к группе химических элементов, играющих важную роль в живой природе и жизни человека. Азот участвует в основных биохимических процессах. В составе белков он образует важнейшие питательные вещества для человека и животных. Но в синтезе белков в растительных и животных организмах участвуют не элементарный азот, а его химические содержания. Одним из таких соединений является аммиак. Из аммиака получают азотную кислоту и азотные удобрения. Соединения азота так же широко применяются в производстве промежуточного продуктов и красителей, для изготовления пластических масс, химических волокон, а также в производстве взрывчатых и зажигательных веществ.

Синтез соединений азота из атмосферного воздуха возможен тремя методами:

Дуговой метод заключается в том, что при высокой температуре азот соединяется с кислородом воздуха по уравнению реакция:

N2 + O2 = 2NO

Оксид азота окисляется до диоксида азота, который поглощается водой с образованием ANO3.

Цианамидный метод заключается в том, что тонкоизмельченный карбид кальция при температуре около 10000C взаимодействует с азотом по уравнению:

CaC2 + N2 = CaCN2 + C

Асимиачный метод связывания атмосферного азота основан на взаимодействии азота и водорода по уравнению:

N2 + 3A2 = 2NH3

Для синтеза аммиака необходимо иметь азот и водород в соотношении N2:H2 = 1:3.

В производстве аммиака азот, необходимый для азотоводородной смеси, получают из воздуха двумя принципиально различными способами:

Физическим разделением воздуха на азот и кислород;

Совместно с получением водорода путем связывания всего кислорода воздуха в виде CO2 и последующего определения CO2 от азотоводородной смеси. Источником водорода являются метан и его гомологи, водяной и полуводяной газы, коксовый газ и вода.

Водород необходимый для синтеза аммиака, получают одним из следующих способов:

Конверсии метана природного газа и его гомологов с последующей конверсией CO;

Конверсия оксида углерода водяного или полуводяного газа, полученного газификацией твердого или жидкого топлива;

Разделением коксового газа путём последовательного сжижения всех компонентов газовой смеси, кроме водорода;

Электроазот воды или раствора хлорида натрия.

В данной курсовой работе рассмотрен процесс получения азотоводородной смеси, из природного газа и атмосферного воздуха, стадия конверсии оксида углерода.

1. Характеристика исходного сырья и готового продукта

Исходным сырьем для синтеза аммиака являются природный газ атмосферного воздух.

Атмосферный воздух является смесью газов, в состав которого входят следующие вещества (% об): N2 -- 78,09; O2 -- 20,95 Ar -- 0,932; CO2 -- 0,032; Ne -- 4,6*10-3;He -- 4,6*10-4. Мольная масса чистого воздуха -- 28,966 кч/кмоль, критическая температура -- (-140,7C), критическое давление 3,7 Мпа. Газы, входящие в состав воздуха, являются сырьевой базой химической промышленности.

Природный газ -- смесь газообразных насыщенных углеводородов. Основным компонентом природного газа являются метан. Состав природного газа зависит от его местонахождения; содержания метана в природном газе колеблется от 90 до 99,5%.

Метан вступает в реакции радикального замещения -- галогенирования, сульфохлорирования, нитрования и т.д. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 -- катализаторе или без катализатора при 1400-16000С. Образующийся синтез -- газ может быть использован для синтеза аммиака, метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Аммиак (NH3) -- бесцветный газ с резким запахом. Для аммиака температура плавления tпл = -77,7C, кипения -- tкип = -33,35C. Аммиак весьма реакционноспособен. Для него типичны реакции присоединения, в частности протона при взаимодействии с кислотами. В результате образуются соли асимония, по своим свойствам подобная солям щелочного металлов. У атома N имеется непосредственная пара электронов, которая обуславливает способность аммиака к образованию донорно-акцепторной и водородной связей. азот температурный катализатор конверсия

Аммиак -- основание Льюиса, присоединяет не только Ht, но и другие акцепторы электронов. Дает аммиак при взаимодействии с солями, щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с жидким и газообразным аммиаком, давая амиды. При нагревании в атмосфере аммиака многие металлы и неметалы образуют нитриды.

Основной способ получения аммиака -- взаимодействие азота и водорода в присутствии катализатора на основе Fe, активированногоK2O, Ak2O3, CaO и другие. Схема производства аммиака -- циклическая. Аммиак выпускается в жидком виде, либо в виде водного раствора -- аммиачной воды.

Аммиак применяют в производстве NHО3, мочевины (NH2)2СО, NH4NО3, (NH4)2СО3, (NH4)2СО4, аммофоса, уротропина, используется в качестве хладагента.

2. Физико-химические основы производства

Получение синтез-газа из углеродных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) в настоящее время является основным источником получения аммиака.

Взаимодействие метана с водяным паром и кислородом протекает по следующим основным реакциям:

СH4 + Н2O = СО + 3Н2 - 206 кДж (2.1)

СH4 + О1SO2 = СО + 2Н2 + 35 кДж (2.2)

Реакция гомологов метана с указанным окислителями протекает аналогично. Далее осуществляется конверсия оксида углерода с водяным паром по уравнению реакции:

СО + Н2O = СО2 + Н2 + 41 кДж (2.3)

Эта реакция частично осуществляется уже на станции поровой конверсии метана, однако степень превращения оксида углерода при этом очень мала и в выходящим газе содержится до 11% СО и более. Для получения дополнительных количеств водорода и снижения до минимума концентрации оксида углерода в конвертированном газе осуществляют самостоятельную стадию католической конверсии СО водяным паром.

В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удаления диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведения процесса при возможно низкой температуре. Конверсия оксида углерода протекает без изменения объёма, поэтому повышение давления не вызывает смещения равновесия. Вместе с тем проведение процесса при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным, поскольку увеличивается скорость реакции, уменьшаются размеры аппаратов, попутно используется энергия ранее сжатого газа.

Процесс конверсии оксида углерода с промежуточным удалением диоксида углерода применяется в технологических схемах производства водорода в тех случаях, когда требуется получить водород с минимальным количеством примеси метана.

Концентрация водяного пара в газе обычно определяется количеством, дозируемым на конверсию метана и оставшимся после ее протекания. Соотношение пар: газ перед конверсией СО в крупных агрегатах производства аммиака составляет 0,4 -- 0,5. Проведение процесса при низких температурах -- рациональный путь повышения равновесной степени превращения оксида углерода, но возможный только при наличии высокоактивных катализаторов. Следует отметить, что нижний температурный придел процесса ограничен условиям концентрации водяного пара. В случае проведения процесса под давлением 2 -- 3 МПа этот придел составляет 180 -- 2000С. Снижение температуры ниже точки росы выдает концентрацию влаги на катализаторе, что нежелательно.

Реакция конверсии СО сопровождается значительным выделением теплоты, что обусловлено проведение процесса в две стадии при разных температурных режимах на каждой. На первой стадии высокой температурой обеспечивается высокая скорость конверсии большого количества оксида углерода. На второй стадии при пониженной температуре достигается высокая степень конверсии оставшегося СО. Теплота экзотермической реакции используется для получения пара. Таким образом, нужная степень конверсии достигается при одновременном сокращении расхода пара.

Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов. На первой стадии используется железохромовый катализатор, который выпускается в таблетированном и формованном видах. Для железохромового катализатора ядами являются сернистые соединения, сереводород реагирует с Fe3O4, образуя сульфид железа FeS. Органические сернистые соединения в присутствии железохромого катализатора взаимодействуют с водяным паром с образованием сероводорода. Помимо сернистых соединений отравляющее действие на железохромовый катализатор оказывают соединения фосфора, бора, кремния, хлора.

Низкотемпературные катализаторы содержат в своем составе соединения меди, цинка, алюминия, иногда хрома. Известны двух-, трёх-, четырех- и многокомпонентные катализаторы. В качестве добавок и указанным выше компонентом применяются соединения магния, титана, палладия, марганца, кобальта и другие. Содержание меди в катализаторах колеблется от 20 до 50%. Наличие в низкотемпературных катализаторах соединений алюминия, магния, марганца сильно повышает их стабильность, делает их более устойчивым к повышению температуры.

3. Технологическая схема агрегата двухступенчатой конверсии природного газа

Технологическая схема агрегата двухступенчатой конверсии природного газа и конверсии оксида углевода представлена на рисунке 1.

Природный газ сжимают в компрессоре 1 до давления 4,6 МПа, смешивают с азотоводородной смесью и подают в огневой подогреватель 2, где реакционная смесь нагревается от 130-140 до 370-400 0С. Для обогрева используют природный или другой горючий газ. Далее нагретый газ подвергают очистке от сернистых соединений: в реакторе 3 на алюмокобальт-молибденовом катализаторе проводится гидрирование сераорганических соединений до сероводорода, а затем в адсорбере 4 сероводород поглощается сорбентом на основе оксида цинка. Обычно устанавливают два адсорбера, соединенные последовательно либо параллельно. Один из них может отключаться на загрузку свежего сорбента. Содержание H2S в очищенном газе не должно превышать 0,5 мг/м3 газа.

Очищенный смешивается с водяными паром в отношении 1:3,7 и полученная парогазовая смесь поступает в конвекционную зону трубчатой печи 12. В радиационной камерепечи размещены трубы, заполненные катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный или горючий газ. Полученные в горелках дымовые газы обогревают трубы с катализатором, затем теплота этих газов дополнительно рекуперируется в конвекционной камере, где размещены подогреватели парогазовой и паровоздушной смеси, перегреватель пара высокого давления, подогреватели питательной воды высокого давления и природного газа.

Парогазовая смесь нагревается в подогревателе 10 до 525 0С и затем под давлением 3,7 МПа распределяется сверху вниз по большому числу параллельно включенных труб, заполненных катализатором. Выходящая из трубчатого реактора парогазовая смесь содержит 9-10% СН4. При температуре 850 0С конвертированный газ поступает в конвертор метана второй ступени 13 - реактор шахтного типа. В верхнюю часть конвертора 13 компрессором 19 подается технологический воздух, нагретый в конвекционной зоне печи до 480-500 0С. Парогазовая и паровоздушные смеси поступают в реактор раздельными потоками в соотношении, требуемом для обеспечения практически полной конверсии метана и получения технологического газа с отношением (СО + Н2):N2=3,05/3,10. Содержание водяного пара соответствует отношению пар : газ = 0,7:1. При температуре около 10000С газ направляется в котел-утилизатор 14, вырабатывающий пар давлением 10,5 МПа. Здесь реакционная смесь охлаждается до 380-4200С и идет в конвертор СО первой ступени 15, где на железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром. Выходящая из реактора при температуре 450 0С газовая смесь содержит около 3,6% СО. В паровом котле 16, в котором также вырабатывается пар давлением 10,5 МПа, парогазовая смесь охлаждается до 2250С и подается в конвертор СО второй ступени 17, заполненный низкотемпературным катализатором, где содержание СО снижается до 0,5%. Конвертированный газ на выходе из конвертора 17 имеет следующий состав (%): Н2 - 61,7; СО - 0,5; СО2 - 17,4; N2+Ar - 20,1; СН4 - 0,3. После охлаждения и дальнейшей утилизации теплоты конвертированы газ при температуре окружающей среды и давлении 2,6 МПа поступает на очистку.

Двухступенчатая паровая и паровоздушная каталитическая конверсия углеводородных газов и оксида углерода под давлением является первой стадией энерготехнологической схемы производства аммиака. Теплота химических процессов стадий конверсии СН4, СО, метанирования и синтеза аммиака используется для нагрева воды высокого давления и получения перегретого пара давлением 10,5 МПа. Этот пар, поступая в паровые турбины, приводит в движение компрессоры и насосы производства аммиака, а также служит для технологических целей.

4. Материальный баланс двухступенчатой конверсии оксида углерода

Рассчитаем объемы компонентов газовой смеси:

СО: 3360 м3/ч; где 28 -- мольная масса СО

СО2: 1532,9 м3/ч; где 44 -- мольная масса СО2

Н2: 9520 м3/ч; где 2 -- мольная масса Н2

N2: 4240 м3/ч; где 28 -- мольная масса N2

Ar: 50.4 м3/ч; где 40 -- мольная масса Ar

CН4: 98 м3/ч; где 16 -- мольная масса CН4

Н2O: 6471.1 м3/ч; где 18 -- мольная масса Н2O

Находим общий объём баланса газовой смеси:

V = 3360 + 1532,9 + 9520 + 4240 + 50,4 + 98 + 6471,1 = 25272,4 м3/ч

Материальный баланс конвертора СО 1-й ступени

CO + Н2O = СО2 + Н2 + O (4.1)

При t = 420С значения константы равновесия составляет:

КР= = 9,61 (4.2)

Примем, что при достижении равновесия прореагировало Хм3 СО и Н2O, тогда в смеси осталось (м3/ч)

= 6471,1

Решая это уравнение относительно х, находим м3/ч

По условию, степень достижения равновесия равно 92%, тогда прореагировало х1 = х* * 0,92 = 2257,5 * 0,92 = 2076,9 м3/ч

Таким образом, в газе осталось:

м3/ч

м3/ч

м3/ч

м3/ч

Данные расчетов сводим в таблицу 1.

Таблица 1. Материальный баланс конвертора СО I ступени

Приход	Расход
Статья	Кг/ч	м3/ч	% об	Статья	Кг/ч	м3/ч	% об
СО	4200	3360	13,30	СО	1603,9	1283,1	5,08
СО2	3011	1532,9	6,07	СО2	7090,7	3609,8	14,28
Н2	850	9520	37,67	Н2	1035,3	11596,9	45,89
N2	5300	4240	16,78	N2	5300	4240	16,78
Ar	90	50,4	0,20	Ar	90	50,4	0,2
СH4	70	98,0	0,39	СH4	70	98,0	0,39
Н2O	5200	6471,1	25,61	Н2O	3531,1	4394,2	17,39
Итого	18721	25272,4	100	Итого	18721	25272,4	100

Объём узкого газа Vузк = 20878,2 м3/ч

Объём водяного пара Vпар = 4394,2 м3/ч

Материальный баланс конвертора СО 1-й ступени

По заданию, соотношение пар: газ перед второй ступенью составляет 1:0,6. Тогда в газовой смеси должно быть водяного пара:

м3/ч

Таким образом, необходимо добавить в газовую смесь

Vпар (доп) = м3/ч

Примем, что при достижении равновесия прореагировало х м3/ч СО и Н2O образовалось х м3/ч Н2 и СО2. Тогда в смеси осталось:

= 34797

= 3609,8 = 11596,9

Значение константы равновесия при t = 2600C КР = 72,92, тогда можно записать:

КР= = (4.3)

Решая это уравнение относительно х находим м3/ч

По условию степень достижения равновесия на 2-й ступени составляет 90%, тогда

0,9 = 1131,8 м3/ч

Таким образом, в газе содержаться:

м3/ч

м3/ч

м3/ч

м3/ч

Данные расчётов сводим в таблице 2.

Таблица 2. Материальный баланс конвертора СО 2-й ступени

Приход	Расход
Статья	Кг/ч	м3/ч	% об	Статья	Кг/ч	м3/ч	% об
1.Газ после кон-ра СО 1-й ст-ни	18721	25272,4	45,4
СО	1603,9	1283,1		СО	189,1	151,3	0,27
СО2	7090,7	3109,8		СО2	9313,9	4741,6	8,52
Н2	1035,3	11596,9		Н2	1136,5	12728,7	22,86
N2	5300	4240		N2	5300	4240	7,62
Ar	90	50,4		Ar	90	50,4	0,09
СH4	70	98,0		СH4	70	98	0,78
Н2O	3531,1	4394,2		Н2O	27052,4	33665,2	60,47
2.Водяной пар	24430,8	30402,8	54,6
Итого	43151,8	55675,2	100		43151,9	55675,2	100

5. Тепловой баланс отделения конверсии СО 1-й ступени

Тепловой баланс определения конверсии СО 1-й ступени.

Приход тепла.

Теплота, вносимая парогазовой смесью на входе в конвектор при t =420C.

Q1 = ?ViCit1,

где Vi -- количество компонента, м3/ч; Ci -- теплоёмкость, кДж (м3/ч); t1 = 420C -- температура газа на входе в конвектор.

Q1 = (3360 * 1,35 + 1532,9 * 1,99 + 9520 * 1,30 + 4240 *1,34 + 50,4 * 1,42 + 98 * 2,09 + 6471,1 * 1,59) *420 =15208 * 103 кДж

Теплота, выделяющаяся при конверсии оксида углерода

Q2 = M1 * q =92,719 * 40200 = 3727,3 * 103 кДж,

где кмоль -- количество прореагировавшего оксида углерода.

Q1 = 40200 -- тепловой эффект реакции (4.1) при t = 5000C.

Qприх = Q1 + Q2 = 15208 * 103 + 3727,3 * 103 = 18935,3 * 103 кДж

Расход тепла.

Теплота, уносимая парогазовой смесью

tx = 37269,2 * tx теплоёмкость веществ взяты при t = 500C.

Из уравнения теплового баланса Qприх = Qрасх находим температуру конвертированного газа на выходе из конвертора со 1-й ступени:

18935,3 * 103 = 37269,2 * tx, откуда tx = 508,07C.

Данные расчётов сводим в таблицу 3.

Таблица 3. Тепловой баланс конвектора СО 1-й ступени

Приход	Расход
Статья	кДж	%	Статья	кДж	%
1.Теплота вносимая парогазовой смесью Q1	15208 * 103	80,3	1.Теплота уносимая парогазовой смесью	18935,3 * 103	100
2.Теплота химической реакции Q2	3727,3 * 103	19,7
Итого	18935,3 * 103	100	Итого	18935,3 * 103	100

Тепловой баланс конверсии СО 2-й ступени

Приход тепла.

Тепло, вносимое конвертированным газом:

Q1 = (1283,1 * 1,33 + 3609,8 * 1,8 + 11596,9 * 1,29 + 4240 *1,32 + 50,4 * 1,41 + 98 * 1,84 + 4394,2 * 1,54) * tx = 36068,2tx

Теплоёмкости веществ взяты при t = 227C.

Тепло, вносимое водяным паром

Q2 = 30402,8 * 1,54 * tx = 46820,31 tx

Теплота, выделяющаяся в результате конверсии оксида углерода:

Q3 = * q = = 54,991 кмоль

Qприх = Q1 + Q2 + Q3 = 36068,2tx + 46820,31 * tx + 2210638

Расход тепла.

Теплота, уносимая конвертированным газом при t = 260C.

Qприх = Qрасх

10469049 tx + 2210638 = 21740170, откуда tx= = 265,61С

Данные расчетов сводим в таблицу 4.

Таблица 4. Тепловой баланс конвектора СО 2-й ступени

Приход	Расход
Статья	кДж	%	Статья	кДж	%
1.Теплота вносимая конв-мым газом Q1	8498028,6	39,09
2.Теплота, вносимая водяным паром Q2	11031333,2	50,74	1.Теплота уносимое парогазовой смесью	21740170	100
3.Теплота химической реакции Q3	2210638	10,17
Итого	21739999,8	100	Итого	21740170	100

Развязка баланса = 10-3

Заключение

В курсовой работе приведены характеристики исходного сырья для синтеза аммиака, свойства и области применяются готового продукта.

Изложены физико-химические основы получения синтез-газа для производства аммиака, влияние технологических параметров на степень конверсии оксида углерода. Привезены характеристики среднетемпературного и низкотемпературного катализаторов конверсии оксида углерода.

Описана технологическая схема получения технологического газа двухступенчатой конверсией метана и двухступенчатой конверсией СО.

Выполнены материальные расчёты отделения конверсии СО для переработки 1000000 м3/год. газа (после конверсии метана).

Тепловые расчёты изволили определить температуру газа на выходе из конвертора СО 1-й ступени и на выходе в конвертора СО 2-й ступени.

Литература

1. Общая химическая технология: учебник для технологических вузов/ А.М. Кутенов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен -- М.: Высшая школа, 1910 г. -- 520 с.

2. Химический энциклопедический словарь. Гланый редактор И.Л. Кнуненц -- М.: Современная энциклопедия, 1911 г. -- 792 с.

3. Расчёты по технологии неорганических веществ. Учебное пособие для вузов/ Под редакцией М.Е. Позина -- Л.: Химия, 1911 г. -- 496 с.

4. Краткий справочник физико-химических величин/ Под редакцией К.П. Мищенко, А.А. Равделя -- Л.: Химия, 1912 г. -- 200 с.

Размещено на Allbest.ru