Конверсия оксида углерода.

Конверсия оксида углерода протекает по следующей реакции:

СО + Н₂О = Н₂ + СО₂ + Q (1.5.)

Характеристика реакции: сложная, экзотермическая, обратимая, гетерогенно-каталитическая.

Помимо основной, протекает побочная реакция разложения оксида углерода:

2СО = С + СО₂ (9.6.)

В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удалением диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведением процесса при возможно низкой температуре. Конверсия оксида углерода, как видно из уравнения реакции, протекает без изменения объема, поэтому повышение давления не вызывает смещения равновесия. Вместе с тем проведение процесса при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным (см. преимущества повышенного давления).

Концентрация водяного пара в газе обычно определяется количеством, дозируемым на конверсию метана и оставшимся после ее протекания.

Соотношение пар : газ перед конверсией СО в крупных агрегатах производства аммиака составляет 0,4-0,5.

Проведение процесса при низких температурах – рациональный путь повышения равновесной степени превращения СО, но возможный только при наличие высокоактивных катализаторов.

В случае проведения процесса под давлением 2-3 МПа нижний температурный предел составляет 180-200⁰С. Снижение температуры ниже точки росы вызывает конденсацию влаги, что нежелательно.

Реакция конверсии СО сильно экзотермична, т.е. идет с выделением значительного количества тепла. Это вызвало необходимость проведения процесса в два этапа при разных температурных режимах.

Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов.

На первой ступени используется железохромовый катализатор, который выпускается в таблетированном и формованном видах и является активным в области температур 450-500⁰С. Для железохромового катализатора ядами являются сернистые соединения, соединения фосфора, бора, кремния, хлора.

На высокотемпературном железохромовом катализаторе обеспечивается высокая скорость конверсии СО.

Низкотемпературные катализаторы содержат с своем составе соединения цинка, меди, хрома. На поверхности этого катализатора процесс конверсии проводят в пределах 200-250⁰С и получают высокую степень конверсии СО.

Срок службы низкотемпературных катализаторов обычно не превышает двух лет. Одной из причин их дезактивации является рекристаллизация под действием температуры и реакционной среды. При конденсации влаги на катализаторе происходит снижение его механической прочности и активности.

Очистка конвертированного газа.

Конвертированный газ содержит: H₂ и N₂ в соотношении 3:1, СО₂, остатки СО и метана, аргон.

Очистка газа от СО₂ – проводится поглощением его жидкими абсорбентами: водой под давлением, горячим раствором поташа К₂СО₃, раствором моноэтаноламина (МЭА).

1). К₂СО₃ + СО₂ + Н₂О = 2КНСО₃ (1.7.)

Реакция обратимая, при повышении давления равновесие сдвигается вправо. Регенерация образовавшегося раствора бикарбоната калия проводится по обратной реакции при снижении давления.

Достоинство метода: отсутствие теплообменной аппаратуры, поглощение СО₂ и регенерация раствора идут при одной и той же температуре.

2). Моноэтаноламиновая очистка.

2RNH₂ + CO₂ + H₂O (RNH₃)₂CO₃ + Q (1.8.)

Прямая реакция идет при температуре 50⁰С, обратная при 150⁰С. На обратной реакции основана регенерация МЭА. Выделяющейся при регенерации газ содержит 99% СО₂ и является используемым отходом аммиачного производства ( получение карбамида).

Очистка от СО.

В современных агрегатах очистка от СО основана на промывке газа жидким азотом. В этом процессе одновременно с СО жидкий азот растворяет метан и аргон, в результате получается азотоводородная смесь, тщательно очищенная от каталитических ядов и инертов.

Метанирование.

Тонкую очистку азотоводородной смеси от СО и СО₂ на современных установках синтеза ведут каталитическим гидрированием этих соединений до метана в агрегате метанирования.

Процесс основан на следующих реакциях:

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О (1.9.)

СО₂ +4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О (1.10.)

0,5О₂ + Н₂ = Н₂О (1.11.)

Технологическое оформление конверсии природного газа.

В настоящее время в азотной промышленности используются технологические схемы конверсии природного газа при повышенном давлении, включающие конверсию оксида углерода. Достоинством этих схем является уменьшение расхода энергии на сжатие конвертированного газа, объем которого существенно больше объема исходных газов, при этом уменьшаются габариты аппаратов и т.д.

Широкое применение в промышленности получил процесс двухступенчатой паровой и паровоздушной каталитической конверсии под давлением. На его основе созданы крупнотонажные агрегаты по энерготехнологической схеме с глубокой рекуперацией теплоты каталитических реакций конверсии СН₄ и СО.

На рис.1.1. приведена схема агрегата двухступенчатой конверсии метана и оксида углерода под давлением.

Рис.1.1. Схема агрегата двухступенчатой конверсии природного газа.

1-компрессор природного газа, 2 –огневой подогреватель, 3 –реактор гидрирования сернистых соединений, 4 –адсорбер, 5 –дымосос, 6, 7, 9, 10 –подогреватели природного газа, питательной воды, паровоздушной и парогазовой смесей соответственно, 8 –пароперегреватель, 11 –реакционные трубы, 12 –трубчатая печь (конвектор метана первой ступени), 12 –шахтный конвектор метана второй ступени, 14, 16 –паровые котлы, 15, 17 –конвекторы оксида углерода первой и второй ступеней, 18 –теплообменник, 19 –компрессор воздуха.

Природный газ сжимают в компрессоре 1 до давления 4,6 МПа, смешивают с азотоводородной смесью (авс :газ =1:10) и подают в огневой подогреватель 2. Далее нагретый газ подвергается очистке от сернистых соединений: в реакторе 3 на алюмокобальтмолибденовом катализаторе проводится гидрирование сераорганических соединений до сероводорода, а затем в адсорбере 4 сероводород поглощается сорбентом на основе оксида цинка.

Очищенный газ смешивается с водяным паром в отношении 1:3,7 и полученная парогазовая смесь поступает в конвекционную зону трубчатой печи 12. В радиационной камере печи размещены трубы, заполненые катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный газ. Полученные в горелках дымовые газы обогревают трубы с катализатором, затем теплота этих газов дополнительно рекуперируется в конвекционной камере, где размещены подогреватели парогазовой и паровоздушной смеси, перегреватель пара высокого давления, подогреватели питательной воды и природного газа.

Парогазовая смесь нагревается и под давлением распределяется сверху вниз по большому числу параллельно включенных труб, заполненных катализатором. Выходящая из трубчатого реактора парогазовая смесь содержит 9-10% метана. При температуре 850⁰С конвертированный газ поступает в конвектор метана второй ступени 13 – реактор шахтного типа. В верхнюю часть конвектора 13 компрессором 19 подается технологический воздух, нагретый в конвекционной зоне печи до 500⁰С. парогазовая и паровоздушная смеси поступают в реактор раздельными потоками. Затем газ направляется в котел-утилизатор 14, вырабатывающий пар давлением 10,5 МПа. Здесь реакционная смесь охлаждается с 1000 до 420⁰С и идет в конвектор СО первой ступени 15, где на железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром. Выходящая из реактора при температуре 450⁰С газовая смесь содержит около 3,6% СО. В паровом котле 16, в котором также вырабатывается пар давлением 10,5 МПа, парогазовая смесь охлаждается до 225⁰С и подается в крнвектор СО второй ступени 17, заполненный низкотемпературным катализатором, где содержание СО снижается до 0,5%.

Конвертированный газ на выходе из конвектора 17 имеет следующий состав (%): Н₂ – 61,7; CO₂ – 17,4; CO – 0,5; N₂ + Ar – 20,1; CH₄ – 0,3.

После охлаждения и дальнейшей утилизации теплоты конвертированный газ поступает на очистку.