Энерготехнологическая схема паровой каталитической двухступенчатой конверсии метана и оксида углерода.

Природный газ под давлением поступает в систему теплообмена с отходящими дымовыми газами (2), где он подогревается и направляется для очистки от сернистых соединений в аппарат (1). Очищенный газ далее смешивается с водяным паром до соотношения пар : газ 2,5 – 3,7 : 1 , нагревается в системе теплообмена (3) до 380^ОС и направляется в реактор трубчатого типа (4), в котором осуществляется первая ступень конверсии метана(конверсия составляет 70%). Так как процесс конверсии метана эндотермический и осуществляется при высокой температуре, то наружные стенки реакционных труб обогреваются за счёт сгорания в печи природного газа. Парогазовая смесь проходит трубы сверху вниз, при этом её температура возрастает до 800⁰С на выходе. Дальнейшая конверсия метана проходит в шахтном реакторе второй ступени (5). В этот реактор вместе с реакционной смесью компрессором (16) подается нагретый в системе теплообмена (6) воздух, обогащенный кислородом В реакторе (5) остаточный метан практически полностью взаимодействует с водяным паром и кислородом (конверсия составляет около 99%). Полученный конвертированный газ проходит котел-утилизатор (7), где его температура снижается до 400⁰С. Затем газ поступает на конверсию СО вначале в высокотемпературный конвектор (8), затем проходит теплообменник (9) для охлаждения и поступает в низкотемпературный конвектор (10). После этого газ охлаждается в теплообменнике (11) и холодильнике (12), проходит колонну отделения воды (13) и направляется на очистку.

Вопрос № 14

Термодинамические основы метода синтеза аммиак из азота и водорода. Выбор условий проведения процесса.

В 1904 г. Габер и Нернст впервые определили основные характеристики процесса синтеза аммиака из азота и водорода. В 1913 г. в Германии был пущен первый завод синтеза аммиака.

Возьмём один из основных показателей процесса – расход энергии, так как на современных заводах синтетического аммиака структура себестоимости продукта примерно следующая: стоимость энергии – 53%,

стоимость сырья – 33-35%.

При электродуговом методе удельный расход энергии составляет 32 т условного топлива. Затем азот стали связывать цианамидными способом, расходуя кокс и электроэнергию в количестве 8 т условного топлива на тонну связанного азота. Использование самого современного метода – получение водорода из природного газа методом конверсии метана с водяным паром на установках повышенной мощности снизило расход условного топлива до 1,5 т на тонну азота. Эволюционным путем удалось уменьшить расход энергии почти в 20 раз.

Синтез аммиака идет без образования побочных продуктов по уравнению:

N₂ +3H₂ = 2NH₃ + Q.

Синтез аммиака – процесс обратимый и протекает со значительным уменьшением объёма и выделением тепла. С повышением давления и снижением температуры происходит смещение равновесия вправо. Реакция практически возможна только при больших температурах, так как скорость образования аммиака с повышением температуры растёт, хотя выход и понижается.

Однако синтез аммиака без применения катализаторов даже при высокой температуре протекает очень медленно. В производственных условиях для получения требуемой скорости реакции синтеза аммиака ведут при температуре не ниже 400-500^оС и в присутствии твердых катализаторов.

Синтез аммиака – это типичный гетерогенно-каталитический процесс, протекающий через ряд стадий:

1.Диффузия азота и водорода из газового объёма к поверхности зёрен катализатора и внутри пор зерна

2. Активированная адсорбция газов на катализаторе.

3. Взаимодействие азота с водородом на поверхности катализатора.

4. Десорбция аммиака и его диффузия в объем газовой фазы. Лимитирующей стадией процесса является активированная адсорбция азота.

Катализатор: катализатор изготавливается из железной магниевой руды в виде зёрен (4-6 мм), загружается в колонну синтеза, где оксиды железа восстанавливаются азотоводородной смесью, пропускаемой в течение нескольких суток. Частицы катализатора состоят из кристаллов, внутренняя часть которых представляет собой чистое железо, а промоторы содержатся в поверхностных слоях.

Сероводород и другие серосодержащие соединения отравляют железный катализатор необратимо. Кислород и кислородные соединения (Н2О СО, СО2) отравляют железный катализатор очень сильно, но обратимо.

Вопрос № 15