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 трубчатой каталитической

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 трубчатой каталитической 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 трубчатой каталитической конверсии природного газа» и «Оценка активности промышленного катализатора 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.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 трубчатой конверсии природного газа как способ получения синтез газа для производства аммиака, метанола и высших спиртов является наиболее распространенным промышленным методом производства синтез – газа из природного газа и углеводородного сырья. Большинство действующих крупнотоннажных агрегатов производства аммиака, метанола и водорода используют процесс трубчатой паровой или пароуглекислотной конверсий.

1. Физико-химические основы процесса паровой трубчатой конверсии природного газа.

Суть трубчатой каталитическая конверсия природного газа заключается в проведении гетерогенной химической реакции конверсии метана с водяным паром или смесью пара с диоксидом углерода за счёт тепла, подводимого к реагирующим компонентам от внешнего источника. Метод паровой или пароуглекислотной каталитической конверсии по способу подвода тепла делится на две группы. В первой (доминирующей) тепло на покрытие эндотермического процесса конверсии подводится от теплоносителя через поверхность реакционных труб, загруженных катализатором.. Во второй - тепло передается через теплообменную поверхность, но процесс конверсии протекает в адиабатических реакторах за счёт физического тепла нагретой парогазовой смеси.

Реакция конверсии метана протекает в температурном диапазоне 450- 850 ^оС . Обязательным условием проведения процесса трубчатой конверсии является равенство разности сумм энтальпий входящих и выходящих из установки конверсии технологических потоков количеству тепла, переданного через поверхность теплообмена..

В разработанной методике расчета считается, что высшие углеводороды реагируют реакторе до водорода и оксида углерода.

Основные реакции паровой конверсии природного газа

кДж/мол

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 недостижения равновесной температуры, характеризуемое понятием поправок на неравновесие по каждой из реакций. Эти поправки зависят от объёмной скорости, при которой проводится процесс паровой или пароуглекислотной конверсии, температуры реакции и качества используемого катализатора и, как параметры, вводятся в исходные данные расчета.

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

Необходимое количество тепла обеспечивается подводом тепла через стенку реакционных труб. В результате происходит повышение температуры исходного потока и изменяется состав газа реакционной смеси по ходу её движения в зернистом слое катализатора, находящегося в реакционной трубе.

Необходимое количество тепла, для проведения процесса паровой конверсии определяется из теплового баланса трубчатой печи:

,

где: - энтальпии исходного и получаемого потоков парогазовой смеси соответственно; - тепловая нагрузка на реакционные трубы.

Как видно из уравнения теплового баланса для определения необходимо определить , для этого необходимо знать температуру и состав выходящего из трубчатой печи потока парогазовой смеси (конвертированного газа). В разработанной методике и созданной по ней программе расчета температура на выходе реакционных труб и поправки на неравновесие задаются в исходных данных программы (см. далее), а состав находится расчетом равновесия по приведенным выше реакциям.

Следует учитывать, что балансовая модель трубчатой печи не позволяет определить количество катализатора, необходимое для достижения заданной степени конверсии метана, т.е. не позволяет определить габариты аппарата (число реакционных труб и их длину). Расчет по балансовой модели это первое необходимое приближение для определения количества передаваемого тепла, необходимого для проведения процесса конверсии метана с заданным содержанием остаточного метана в конвертированном газе.

Схема газовых потоков в процессе конверсии в трубчатой печи

приведена на рис. 1.

На практике процесс трубчатой паровой и пароуглекислотной конверсии ведут при давлении порядка 1.7 ÷ 30 атм., а температура на выхода конвертированного газа из реакционной трубы 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 - и СО₂. Один из путей снижения температуры процесса конверсии под давлением – увеличение избытка водяного пара ( ).