Описательная часть

1. Обосновать использование 2-х ступенчатой системы конверсии метана с точки зрения возможностей реализации оптимального технологического режима

Двухступенчатая система позволяет повысить степень превращения метана. Так как реакция метана с водой – эндотермическая, то повышение температуры повышает скорость реакции. Температура, необходимая для полного превращения в процессе – 1300 К. Материал, из которого сделаны части реактора, не позволяет использовать его при таких высоких температурах. Поэтому необходима вторая ступень конверсии, которая проходит в адиабатическом реакторе со стенками из высокотемпературного материала – бетона. Это позволяет повысить температуру внутри реактора и добиться почти полной степени превращения метана.

Еще одна причина – это использование шахтного конвертора, как дополнительную систему для выделения азота. Также теплота сгорания воздуха, из которого выделяется азот, расходуется для получения водорода из метана.

Можно сделать вывод, что двухступенчатая система позволяет добиться почти полного превращения метана, снизить тепловые расходы и избежать конструирования отдельной системы для получения элементарного азота.

2. Изобразить схематично все типы каталитических химических ре-акторов, которые используются на различных стадиях производства ам-миака с обоснованием их использования для данного типа реакции (с учё-том особенностей технологического режима)

	На стадии очистки природного газа от серосодержащих соединений используют однослойный реактор с неподвижным слоем зернистого поглотителя. На кобальто-молибденовом катализаторе происходит гидрирование серосодержащих соединений до сероводорода. Полученный сероводород поглощается в однослойном абсорбере с неподвижным слоем ZnS.
	Трубчатая печь представляет собой реактор для конверсии природного газа и воды, аппарат состоит из труб, в которых находится катализатор. Такое строение позволяет эффективно обогревать газовую смесь.
	Для проведения второй ступени конверсии природного газа используется адиабатический реактор, благодаря чему теплота подаётся внутренним теплообменом, повышая температуру газовой смеси.
	Дополнительная конверсия СО проходит в реакторе с адиабатическими слоями катализатора с охлаждением между ними для увеличения степени превращения при понижении температуры.
	Очистка от СО происходит при метанировании водородом в однослойном реакторе, так как не происходит сильный адиабатический разогрев при этом процессе.
	Синтез аммиака должен проходить при отводе тепла, для достижения оптимальной температуры процесса, это обеспечивается в многослойном реакторе с промежуточным теплообменом (а) или в трубчатом реакторе с охлаждением (б).

3. Функциональная схема производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии

1) Очистка природного газа от серосодержащих соединений².

Как правило, природный газ содержит в виде примесей сероводород H₂S, меркаптаны RSH, тиофен С₄Н₄S, сероуглерод СS₂ и др. соединения. Поэтому первой стадией в производстве аммиака является удаление нежелательных примесей из сырья, которые зачастую являются ядами для катализаторов. Сначала соединения гидрируют до сероводорода:

RSH + H₂ = H₂S + RH

С₄Н₄S + 4H₂ = H₂S + С₄Н₁₀

СS₂ + 4H₂ = 2H₂S + СН₄

Необходимый водород для гидрирования поступает в виде АВС (азото-водородной смеси) со стадий конверсии метана, температура процесса выше 670К, катализатор – Co-Mo. Вторая ступень очистки - сорбционная чистка в абсорбере с использованием поглотителя оксида цинка:

H₂S+ ZnO = ZnS↓+Н₂О.

2) Конверсия метана с водяным паром.

И природный газ СН₄, и вода Н₂O являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака — водорода Н₂. В этом превращении протекают одно­временно две реакции:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂;

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Конверсия метана протекает с увеличением объема, понижение давления и высокая температура термодинамически выгодны для стадии превращения метана, но не выгоны в целом для процесса, так как синтез аммиака протекает при повышенном давлении 30 МПа. На стадии конверсии метана оптимальным является давление до 4 МПа, а соотношение водяного пара к природному газу целесообразно брать 4:1, температура 1300К. Количество подаваемого воздуха должно обеспечивать соотношение водород:азот = 3:1. Температура газа после конвертера 1230-1280К, давление падает до 3,3 МПа.

3) Конверсия моноокиси углерода с водяным паром.

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Конверсия проводится в двух реакторах с различными катализаторами: в первом – Fe-Cr катализатор реагирует при температуре 600-700К, далее после охлаждения реакция протекает во втором реакторе с Сu-содержащим катализатором при температуре 480-540К. Остаточное содержание СО не превышает 0,3-0,5%.

4) Очистка от оксидов углерода СО и СО₂.

В конвертированном газе содержание СО не превышает 0,3-0,5%, СО₂ до 17-18%. СО является ядом для большинства катализаторов, СО₂ – балласт для синтеза аммиака. Эти примеси необходимо удалить. Удаление сорбцией требует специфических сорбентов, необходимых в большом количестве. В настоящее время используется два специфических способа очистки от оксидов углерода.

Диоксид углерода абсорбируют 19-21%-ным водным раствором моноэтиламина (далее – МЭА):

СО₂ + 2 RNH₂+ Н₂О = (RNH₃)₂CО₃.

Эта стадия носит название МЭА-очистки. Поглощение диоксида углерода (карбонизация раствора МЭА) – обратимый процесс: с повышением температуры равновесия сдвигается влево, тем самым позволяя регенерировать сорбент. Поэтому в схеме очистки используются два аппарата: абсорбер и десорбер.

Но раствор МЭА не поглощает оксид углерода, поэтому последний превращают в метан, который безвреден для катализатора и инертен в процессе синтеза аммиака:

СО + 3 Н₂ = СН₄ + Н₂О.

Процесс проводят при низкой температуре (500-550К) с использованием Ni-катализатора при большом избытке водорода (около 75% в АВС).

5) Синтез аммиака.

3 H₂ + N₂ = 2 NH₃.

Синтез аммиака протекает на катализаторе, в качестве которого используют пористое железо с добавками стабилизирующих и промотирующих элементов (алюминий, калий, кальций и др.). Данный катализатор активен и термически устойчив в области температур 650-830К. Реакция обратимая, экзотермическая и протекает с уменьшением объема, следовательно, понижение температуры и повышение давления приводят к увеличению выхода продукта. Оптимальным давлением является 30-32 МПа, выход целевого продукта составляет 16%, для полноты использования АВС используют рецикл, часть газа при этом из рецикла выводится.