лекции / 12-15

Конверсия природного газа

Физико-химические основы

Взаимодействие метана с водой протекает на катализаторе и представлено двумя обратимыми реакциями:

СН4 + Н2О СО + 3Н2 Q1; (1)

СО + Н2О СО2 + Н2 + Q2. (2)

Надо обеспечить наиболее полное превращение метана и температуру процесса целесообразно повышать. При этом равновесие второй реакции (1) сдвигается влево. При этом также возрастает скорость реакции. Доля реакции конверсии СО в общем процессе очень малая.

Вспомним : r (k1+k-1)С0(xp-x). Конверсия метана протекает с

увеличением объема, и поэтому низкое давление будет способствовать более полному превращению метана (с т.з. термодинамики). Однако для системы в целом выгоднее работать при повышенном давлении.

состав реакционной смеси

Негативное влияние давления на равновесие компенсируют избытком пара по отношению к стехиометрии. При давлении до 4

МПа избыток водяного пара ( = 4:1) позволит достичь почти

полного превращения: xр = 99%. Избыток H2O также предотвращает образование углерода на катализаторе.

Аппаратурное оформление конверсии метана

Конверсия метана - реакция эндотермическая: Необходимое подвести тепло так, чтобы разогреть слой катализатора. Вопрос, какой реактор взять как его расположить в реакторе, чтобы он прогревался всем объемом? Для этого используют трубчатый реактор или печь. Обогрев ведут через стенки реакционных труб, в которых находится катализатор. Чем обогревать, пара с такой температурой 900оС нет. Обогрев осуществляется с помощью дымовых газов путем сжигания природного газа в факельных инжекционных горелках. Температура, необходимая для полного превращения метана 1300 К, а металл, из которого сделаны трубки, допускает нагрев не выше 1180-1200 К. Максимальная температура в слое (на выходе) будет, естественно, ниже 1080-1100 К. Превращение метана не превышает 75% .

Необходима вторая ступень конверсии.

Она представлена адиабатическим реактором - шахтным конвертором. Стенки его внутри футерованы огнеупорным керамическим материалом - для предохранения корпуса от перегрева.

Необходимую температуру создают тем, что в реактор подают воздух. Часть метана сгорает в кислороде воздуха, и при этом температура повышается до 1230-1280 К.

Если в трубчатом реакторе тепло подводится за счет внешнего теплообмена, то в шахтном реакторе за счет внутреннего тепловыделения (экзотермической реакции).

Технологическая схема конверсии

природного газа

1-трубчатая печь, 2- Шахтный реактор, 3-котел-утилизатор, 4- смеситель, 5-7-подогреватели

Образование азотно-водородной смеси

• В шахтном конверторе подачей кислорода воздуха

обеспечивается нужный температурный режим процесса. Но с воздухом вводится и азот, необходимый для синтеза аммиака. Количество подаваемого воздуха должно быть таким, чтобы соотношение водород:азот было стехиометрическим для синтеза аммиака, равным 3:1.

• Кстати, разбавление реакционной смеси инертным газом -

азотом, способствуют сдвигу равновесия реакции (1) вправо. Состав сухого газа после шахтного реактора:

Н2 - 57-58%; N2 - 22-23%; CO - 12-12,5%; CO2 - 7,5-8%; CH4 - 0,3%.

Конверсия СО

Физико-химические основы процесса

Конверсия СО - обратимая экзотермическая реакция:

СО + Н2О СО2 + Н2 + 41 кДж.

Сдвигу равновесия вправо благоприятствуют снижение температуры, избыток водяного пара.

давление не влияет на равновесие, но с ростом давления растут концентрации и скорость реакции: r (k1+k-1)С0(xp-x); Оптимальный

температурный режим для получения максимальной скорости – это

ЛОТ.

Технологическая схема конверсии CO

Очистка от оксидов углерода

Конвертированный газ содержит до 20% СО2. СО2 - балласт для синтеза аммиака, в то же время побочный продукт. Удаляют СО2 методом абсорбции с помощью селективного растворителя.

Физико-химические основы процесса

Диоксид углерода абсорбируют водным раствором моноэтаноламина NH2CH2CH2OH (МЭАочистка):

2RNH2 + H2O + CO2 (RNH3)2CO3

Это гетерогенный процесс, система «Г-Ж». МЭА –основание, СО2 имеет кислотные свойства. По сути имеем реакцию нейтрализации, она всегда быстрая и лимитирующая стадия здесь, очевидно –диффузионный массоперенос.

С повышением температуры растворимость СО2 снижается т.е. возможна регенерация сорбента.

Технологическая схема МЭА-очистки включает два основных аппарата - абсорбер и десорбер.

Технологическая схема МЭА-очистки

H2 , N2

1

H2 , N2 CO2

МЭА

МЭА отр.

CO2

3

2

Пар

4

1 – абсорбер; 2 – теплообменник; 3 – десорбер, 4 – подогреватель

Такая схема называется "регенерации с рециклом», она позволяет выделить в чистом виде побочный продукт и исключить постоянное потребление сорбента.