Проект конвертора CO второй ступени в технологической цепочке двухступенчатой конверсии природного газа.

В трубах размещается никелевый катализатор общим объемом 7,5 м3. Снаружи трубы обогреваются топочными газами, образующимися при сжигании какого-либо газа. Парогазовая смесь проходит через катализатор сверху вниз, при этом температура постепенно возрастает с 400 до 800°С. Степень превращения метана в первой ступени достигает 70%. Конвертированный газ после первой ступени поступает в конвертор шахтного типа 2, куда добавляется воздух. Остаточный метан почти полностью реагирует на никелевом катализаторе при температуре 850 — 900°С. Конвертированный газ после второй ступени содержит до 0,5% метана. Газ из конвертора метана поступает в увлажнитель 3, затем в котел-утилизатор 4 и далее (при 400°С) в конвертор 6.В последнее время находят применение усовершенствованные трубчатые печи с двойными трубами. Катализатор помешается в кольцевом сечении, образованном внутренней и наружной трубами. Греющие газы подаются с внешней стороны наружной трубы. Природный газ вместе с паром проходит через катализатор сверху вниз, а полученный конвертированный газ — по внутренней трубе снизу вверх. Такая конструкция аппарата позволяет улучшить условия теплопередачи и увеличить температуру в слоях катализатора, не повышая температуру стенок труб.Таким образом, так как в рамках данной работы нами рассматривается двухступенчатая конверсия метана, то выберем конвертор шахтного типа.Конвертор метана (рис. 2.2) представляет собой футерованный изнутри огнеупорным кирпичом аппарат шахтного типа, снабженный наружной водяной рубашкой, что предотвращает перегрев стенок кожуха. Исходная реакционная смесь однородного состава поступает в конвертор сверху через кольцевой зазор с линейной скоростью около 100 м / сек.Рис.2.2. Шахтный конвертор каталитической конверсии метана под давлением 20-40 ат. 1 – кожух с термоизоляцией, 2 – водяная рубашка, 3 – футеровка, 4 – катализатор, 5 – термопары, 6 – увлажнитель, 7 – дренажная трубка2.2 Расчет материальных и тепловых балансовПримем в расчетах, что отношение пар:газ равно 1:1; температура поступающего отходящего газа 2500С, давление на входе составляет 3,9 МПа. Парогазовая смесь на вторую ступень конверсии поступает после конвектора оксида углеродапервой ступени. Примем, что газ после первой ступени конвертора имеет состав в долях моля, представленный в таблице 2.1.Таблица 2.1 – Состав газа после первой ступени конверсииКомпонентМольная доля, ед.СО – a0,04H2 – b0,6CO2 – c0,15N2+Ar+CH4 – d0,211,000Для расчета материального баланса процесса конверсии примем следующие выражения, приведенные в таблице 2.1.Таким образом, парциальные давления компонентов парогазовой смеси в условиях равновесия должны быть равны:где Робщ – общее парциальное давление.Таблица 2.2 – Выражения к расчету материального балансаКомпоненты газовой смесиСухой газ до реакцииРавновесная парогазовая смесь после конвектора первой ступениСОaH2O-H2bCO2cN2+Ar+CH4dПодставляя эти выражения в формулу: Откуда получим 3.9:Число молей водяного пара определяем по уравнению:В нашем соотношении пар:газ равно 1, т.е. n=1.Приняв температуру пара 250 0С (273+250 = 523 K), находим Кр.Константа равновесия может быть определена по уравнению (II): = Исходя из состава газа, поступающего на конверсию СО, определяем a, b, c и d.Подставляя соответствующие значения в формулу (3.9):Степень конверсии СО в конвекторе 2-й ступени принимаем равной 0,9 от равновесной, т.е. .Определяем состав влажного газа после конвектора второй ступени:Газ после конверсии второй ступени имеет состав (таблица 2.3).Составим материальный баланс часовой производительности из расчета производительности оборудования по продуктовому газу 30000 нм3/чТаблица2.3.Состав газапосле конверсии второй ступениКомпонентыРасходВлажный газСухой газм3%-й объемм3%-й объемСО893,21,54893,22,98Н2О27990,848,26--Н21769030,51769058,95СО246408464015,46N26588,811,366588,821,96Ar81,20,1481,20,27CH41160,21160,39 5800010030009,2100Кинетику процесса конверсии под давлением рассчитываем в соответствии с работой В. Атрощенко и Б. Бибр. Скорость процесса конверсии СО с водяным паром определяем по уравнению:Константа скорости реакции равна:,где К1 – константа скорости (с-1);τ – время контактирования, с, равное ;μ – свободный объем катализатора;P – общее давление, ат;Т – абсолютная температура, К;Рi – парциальное давление компонентов ко времени τ,Рi0 – начальное парциальное давление компонентов при τ=0;Зависимость константы скорости от температуры определяетсяпо уравнению Аррениуса:Газ в конвертор поступает с температурой 2000С и выходит с температурой 2500С. Среднелогарифмическая температура равна:0С = 499,3 KОпределяем значение константы скорости и для температуры 3950С..Далее определяем время пребывания в конверторе:ЗАКЛЮЧЕНИЕВодород широко используют в современной промышленности. Значительная его часть расходуется на производство аммиака NH3, являющегося сырьем для получения азотных удобрений, пластмасс, синтетических волокон, лекарственных препаратов. Взаимодействием водорода с хлором получают хлороводородHCl и его водный раствор – соляную кислоту. Синтез-газ, состоящий из водорода и угарного газа CO, служит сырьем для производства метилового спирта CH3OH, анилина, при гидроочистке нефти и в производстве других органических веществ.В настоящее время наиболее широко распространена схема на основе паровой конверсии газообразных и жидких углеводородов в трубчатых печах под давлением, как имеющая наилучшие технико-экономические показатели. Указанная технология применяется на предприятии ООО«Кинеф».Научные и технические проблемы каталитической конверсии углеводородов находятся на стыке важнейших областей науки и техники. По линии сырья каталитическая конверсия углеводородов относится к области химической переработки нефти и газа, т. е. к нефтехимии. По использованию продукта (водорода) ее можно отнести к азотной промышленности, промышленности основного органического синтеза и нефтеперерабатывающей промышленности. Конверсия углеводородов применяется в машиностроении при получении восстановительных сред и в металлургии в производстве восстановительных газов. Этот процесс будет использоваться также в производстве водорода для топливно-химических элементов. Вполне естественно, что интерес к проблемам каталитической конверсии углеводородов объединяет специалистов самого различного профиля [9, 10].В данной работе рассмотрена секцияпарового реформинга, предназначенная для получения водорода методом паровой конверсии углеводородного сырья.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВТР.СМК II-036/4-2011. Завод глубокой переработки нефти в составе ООО «Кинеф». Технологический регламент объекта 430-10 «Секция глубокой переработки мазута», включая очистку конденсата». Секция 4100 – паровойреформинг. Том 4.1 / Коронатов Н.Н. – СПб.: ООО «Кинеф», 2012. – 463 с.Кутепов A.M. и др. Теория химико-технологических процессов органического синтеза: Учеб.для техн. вузов/A.M. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен - М.: Высш. шк., 2005. – 520 с.Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. Часть 2. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2009. - 415 с.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. Теоретические основы процессов химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Химия, 1995. - 400с.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – 9-е изд. – М.: Химия, 1973. – 750 с.Косинцев В. И., Миронов В.М., Сутягин В. М. Основы проектирования химических производств. 2-е изд. М.: Академкнига, 2010. – 371 с.Краткий справочник физико-химических величин под редакцией К.П. Мищенко и А.А. Равделя, Л.: Химия, 1974 г. – 200 с.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.Ульянов В.М. Физико-химические характеристики веществ. Справочник проектировщика химического оборудования: учебное справочное пособие /В.М Ульянов. – Н.Новгород: НГТУ, 2009. – 309 с. Объем рынка водорода в России вырастет на 4% в натуральном выражении и на 10% в стоимостном [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://marketing.rbc.ru/news_research/07/06/2013/562949987280532.shtml