1.8 Тонкая очистка конвертированного газа от кислородсодержащих соединений

Тонкая очистка газа от катализаторных ядов – килородсодержащих веществ (метанирование) осуществляется путем гидрирования их с образованием метана, как инертной примеси. Сущность метода состоит в том, что оксиды углерода и кислород взаимодействуют с водородом в присутствии катализатора при высоких давлениях и температурах с протеканием реакций:

СО₂ + 4Н₂ ↔ СН₄ + 2Н₂О

СО + 3Н₂ ↔ СН₄ + 2Н₂О

0,5О₂ + Н₂ ↔ Н₂О.

Реакции обратимы, однако при протекании в сторону образо­вания конечных продуктов являются экзотермическими, поэтому в соответствии с термодинамикой протекают в определенных пределах температур. В интервале температур до 673 К реакции можно считать практи­чески необратимыми и протекающими с полной переработкой веществ.

Изменение равновесного состава газа в процессе гидрирования до­стигается также за счет увеличения давления, поскольку реакции протекают с уменьшением числа молей реагирующих и получаемых компонентов.

Приведенные выше реакции гидрирования протекают при повышен­ном давлении и 470-520 К в присутствии хромоникелевого катализа­тора или при 670 К на отработанном (после синтеза аммиака) желез­ном катализаторе. В ходе дальнейшего охлаждения газа большая часть водяных паров, образовавшихся в в ходе реакций, конденси­руется в водяном холодильнике.

На кинетику протекания процесса наибольшее влияние, кроме температуры и давления, оказывают катализаторы.

Наиболее эффективными являются никель-алюминиевые катализирующие систе­мы (30—50 % мас. оксида никеля), которые, как и при паровой конверсии ме­тана, должны обладать высокой активной поверхностью, термостой­костью и прочностью. Активное состояние катализаторов гидрирования достигается после активирования в восстановительной среде. Эксплуа­тационная способность катализирующей системы этого типа состоит в том, что после восстановления катализатор должен работать при тем­пературе 523—673 К, давлении до 29,6 МПа и объемной скорости 6000 - 20 000 ч-¹.

На ход процесса оказывают влияние диффузионные факторы, так как вся переработка оксидов угле­рода протекает на границе равновесных превращений.

Образовавшийся в процессе метан накапливается в газе, циркулирующем в системе синтеза аммиака. Метан не является ядом для катализатора синтеза аммиака, однако при наличии его в газе понижается парциальное давление реагирующих веществ (Н₂ и N₂) и, следовательно, уменьшается производительность системы. Поэтому каталитический способ очистки применяется лишь для удаления незна­чительных количеств оксидов углерода и кислорода, содержащихся в азотоводородной смеси. Тонкую очистку азотоводородной смеси от оксидов углерода, кислорода и водяных паров можно вести как автотермичный процесс (так называемый продуцирующий катализ). При этом одновременно с гидрированием кислородсодержащих примесей частично протекает реакция синтеза аммиака.

После каталитической очистки синтез-газ отвечает всем технологи­ческим требованиям и может быть использован для синтеза аммиака.

В заключение следует отметить, что в последние годы при произ­водстве водорода и различных синтез-газов, при очистке исходных газовых смесей от примесей и их разделении начинают использовать различные полимерные мембраны, молекулярные сита и т. д., которые значительно упрощают технологические схемы и повышают эконо­мическую эффективность процессов.

После тонкой очистки газа средний состав газовой смеси (в % об.): Н₂ – 73,84; СН₄ – 1,1; N₂ -24,75; Ar – 0,31.