ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

им. И.М.ГУБКИНА

__________________________________________________________________

Кафедра Газохимии

СОСНА М.Х., ГРИГОРЬЕВА Н.А.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Расчет процесса автотермической каталитической парокислородной конверсии природного газа.

Под редакцией профессора Лапидуса А.Л.

МОСКВА - 2006

УДК 622.276.53

Сосна М.Х., Григорьева Н.А.: Методические указания: «Расчет процесса автотермической каталитической парокислородной конверсии природного газа».

/ Под ред. А.Л. Лапидуса. – М.: РГУ нефти и газа, 2006. - 26 с.

В методических указаниях по выполнению лабораторных работ: «Расчет процесса автотермической каталитической парокислородной конверсии природного газа».

дана методика проведения лабораторных работ по курсу «Технология производства синтез- газа»: изложены краткие теоретические сведения по методам получения синтез- газа, приведены принципы расчета технологическая схема процесса, инструкция по работе с программой. Методические указания предназначены для студентов РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина направления 655000 «Химическая технология органических веществ и топлива» (дипломированные специалисты), специальность 2504 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», направления 550800 «Химическая технология и биотехнология (бакалавры), программа 550801 «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» и 550809 «Химическая технология топлив и газа» (магистры).

Издание подготовлено на кафедре «ГАЗОХИМИИ».

Методические указания одобрены к изданию учебно-методической комиссией факультета химической технологии и экологии

Рецензент

д.т.н., проф.

Лыков О.П.

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006

Содержание

	стр.
Введение…………………………………………………………………….	4
Физико-химические основы процесса конверсии природного газа….	4
2. Алгоритмы решения……………………………………………………..	13
2.1 Процесс конверсии природного газа по схеме «Тандем»……………	13
2.2 Шахтная конверсия………………………………………………………	15
3. Исходные данные программы…………………………………………….	15
4. Результаты расчета………………………………………………………..	17
5. Порядок действий для запуска программы расчета…………………….	17
Литература……………………………………………………………………	18
Приложения…………………………………………………………………..	19

Введение

Процесс автотермической конверсии природного газа как способ получения синтез газа для производства аммиака, метанола и высших спиртов всегда находился в области пристального изучения исследователей. В последнее десятилетие, в связи с ростом цен на энергоносители и ускоренным развитием производства жидких синтетических топлив (высших углеводородов и диметилового эфира), получение синтез - газа с использованием упомянутого метода конверсии вновь стало актуальной задачей так как обеспечивает наименьший расход природного газа на 1000 нм3 синтез – газа.

В последнее время как один из вариантов процесса автотермической каталитической конверсии получил распространение метод двухступенчатой парокислородной или паровоздушной конверсии метана. Специфической особенностью этого метода является использование для реализации первой стадии паровой конверсии метана тепла от греющего конвертированного газа, полученного во второй стадии [1] (в России этот метод известен под названием «ТАНДЕМ» [2]).

1. Физико-химические основы автотермического процесса конверсии природного газа.

Суть парокислородной автотермической каталитическая конверсия природного газа заключается в проведении гетерогенной химической реакции конверсии метана с водяным паром за счёт тепла, выделившегося при взаимодействии части исходного метана с кислородом. Реакция конверсии метана протекает в температурном диапазоне 850 – 980^оС . Обязательным условием проведения процесса автотермической конверсии является равенство сумм энтальпий входящих и выходящих из установки конверсии технологических потоков.

В разработанной методике расчета считается, что высшие углеводороды либо сгорают с кислородом в шахтном реакторе.

Основные реакции автотермической конверсии природного газа

кДж/мол

кДж/мол

СН4 + О2 = СО2 + Н20 + кДж/мол

Тогда константы равновесия первых двух реакций имеют вид:

- парциальные давления оксида углерода, водорода, углекислого газа, паров воды, метана соответственно.

Зависимости констант равновесия от температуры приведены ниже:

; ; ;

; ; ;

; ; ;

; ; ;

Процесс может не достигать равновесия. Поэтому вводится понятие степени не достижения равновесной температуры, характеризуемое понятием поправок на неравновесие по каждой из реакций. Эти поправки вводятся в исходных данных расчета.

Как видно из приведенных выше тепловых эффектов реакции общий процесс конверсии природного газа - эндотермический процесс.

Необходимое количество тепла обеспечивается подачей кислорода или обогащенного воздуха в процесс. В результате взаимодействия кислорода либо с исходной парогазовой смесью (природный газ плюс пар) происходит повышение температуры исходного потока и изменяется состав газа на входе в зернистый слой катализатора в шахтном аппарате. За счет этого тепла происходит процесс конверсии углеводородов в шахтном адиабатическом реакторе с одновременным снижением температуры реакционной смеси.

Необходимое количество кислорода, для проведения процесса определяется из теплового баланса шахтного реактора:

,

где: - энтальпии входного потока газа, потока кислорода и потока газа на выходе шахтного реактора соответственно; - потери тепла.

Для решения трансцендентного уравнения теплового баланса необходимо знать температуру и состав выходящего газа для определения . Поэтому на каждом шаге решения рассчитывается равновесие на выходе шахтного реактора (%CH₄ в сухом конвертированном газе задается) и определяется температура выходного потока конвертированного газа .

Следует учитывать, что балансовая модель конвертора метана не позволяет определить количество катализатора, необходимое для достижения заданной степени конверсии метана, т.е. не позволяет определить габариты аппарата. Расчет по балансовой модели это первое необходимое приближение для определения количества кислорода и температуры конвертированного газа.

Схема газовых потоков в процессе шахтной конверсии приведена на рис. 2.

На практике процесс шахтной конверсии ведут при давлении порядка 1.7 ÷ 30 атм., а температура на выхода конвертированного газа из шахтного конвертора находится в интервале 850÷970 *С.

Проведение каталитической конверсии углеводородов под давлением 20 ÷ 30 атм. значительно экономичнее, чем проведение процесса при низком давлении (1.7-1.9 ата.) [4]. Это объясняется например следующими причинами: резким снижением расхода энергии на сжатие конвертированного газа и более эффективным использованием низкопотенциального тепла конвертированного газа .

Недостатком повышения давления процесса является смещение равновесия реакции конверсии в нежелательном направлении т.к. реакция идет с увеличением объема. Чем больше применяемое давление, тем выше температура, необходимая для достижения равной степени конверсии при одинаковом избытке окислителя - . Один из путей снижения температуры процесса конверсии под давлением – увеличение избытка водяного пара ( ).