Методы получения синтез-газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

синтез газ синтетический углеводород

В данной курсовой работе рассмотрен промышленный метод синтеза метана из смеси оксида углерода (II) и водорода (синтез Фишера-Тропша) при нагревании в присутствии гетерогенного катализатора (смесь кобальт-торий-магний или Fe - Co).

Принципиальное значение синтеза Фишера-Тропша -- это производство синтетических углеводородов для использования в качестве синтетического смазочного масла или синтетического топлива.

Процесс Фишера - Тропша описывается следующим химическим уравнением:

CO + 2 H₂ > ?CH₂? + H₂O

2 CO + H₂ > ?CH₂? + CO₂.

Смесь монооксида углерода и водорода называется синтез-газ или сингаз. Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта -- синтетической нефти.

Углекислый газ и монооксид углерода образуются при частичном окислении угля и древесного топлива. Польза от этого процесса преимущественно в его роли в производстве жидких углеводородов или водорода из твёрдого сырья, такого как уголь или твёрдые углеродсодержащие отходы различных видов. Неокислительный пиролиз твёрдого сырья производит сингаз, который может быть напрямую использован в качестве топлива, без преобразования по процессу Фишера - Тропша. Если требуется жидкое, похожее на нефтяное топливо, смазка или парафин, может быть применён процесс Фишера - Тропша. Наконец, если требуется увеличить производство водорода, водяной пар сдвигает равновесие реакции, в результате чего образуются только углекислый газ и водород. Таким образом появилась возможность получать жидкое топливо из газового.

Катализаторами служат металлы VIII группы: наиболее активен Ru, затем Co, Fe, Ni. Для увеличения поверхности их часто наносят на пористые носители, такие как силикагель и глинозём. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан (n=1), при повышении же давления никель образует летучий карбонил и выходит из реактора.

Химический реактор является центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов, соединенных между собой различными связями, в котором протекает химический процесс.

Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. Наиболее эффективным реактором для проведения процесса Фишера-Тропша является реактор идеального вытеснения.

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Каждый элемент потока, условно выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следующими за ним элементами.

Идеальное вытеснение предполагает, что любое количество реагентов и продуктов через реактор перемещается по длине реактора (в пространстве); в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явлений устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров.

Реакторы смешения - это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения - трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических предприятиях, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывно действующих реакторах.

Конструктивно проточные аппараты с интенсивным перемешиванием проще, но обладают тем характерным недостатком, что в них устанавливается низкая концентрация исходного реагента (равная конечной) и, следовательно, низкой будет скорость химической реакции. Для использования преимуществ реакторов смешения и в то же время поддержания в реакционной системе более высоких концентраций реагентов можно создать каскад реакторов идеального смешения последовательным включением нескольких реакторов.

Сравнительный расчет идеальных реакторов

Таблица 1.1.

Расчет реактора идеального смешения непрерывного действия и каскада реакторов идеального смешения непрерывного действия

РИС-Н (реактор идеального смешения непрерывного действия) - это аппарат, снабжённый каким-либо перемешивающим устройством, а также рубашкой для теплообмена. Подвод исходных реагентов и отвод продуктов реакции в РИС-Н осуществляется непрерывно.

При заданном числе реакторов одинакового объёма, используя графический метод, рассчитать объём реактора РИС-Н при последовательном соединении (каскад реакторов РИС-Н-К), а также их общий объём.

Гидродинамический режим РИС-Н характеризуется тем, что в начальный момент времени (пуск) в результате мгновенного смешения поступающих реагентов с реакционной массой наблюдается резкое изменение концентраций и степени превращения реагента. Однако через некоторый промежуток времени во всём объёме реактора в результате интенсивного перемешивания устанавливаются одинаковая концентрация и степень превращения. Причём концентрация реагента тем ниже, а степень превращения реагента тем выше, чем больше время контакта реагентов в реакторе.

Выразим объемный расход реагентов в л/мин:

Находим общий объемный расход реагентов А и В:

Определяем мольные потоки реагентов А и В:

Находим начальную концентрацию реагента В в исходном потоке:

Выразим С_в,0 через С_А,0:

Определяем степень превращения реагента В:

Рассчитываем скорость реакции:

Определяем условное время пребывания реагентов в реакторе

Находим объем реактора

Примем ц = 0,75 - коэффициент заполнения реактора (ц = 0,65?0,8)

Тогда объем реактора составит:

Таблица 1.1.1. - Зависимость концентраций реагентов А и В от степени превращения вещества А

Аналогично рассчитываем концентрации реагентов А и В при других значениях степени превращения. Результаты расчета представлены в таблице 1.1.2.

Вычисляем скорость реакции:

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.1.2.

Таблица 1.1.2.

По данным таблицы 1.1.2. строим график зависимости скорости реакции от концентрации.

Тангенс угла наклона прямых равен

Объем единичного реактора:

Объем реактора равен:

Объем каскада равен:

V_РИС-Н-К=V₁+V₂=68+73,67=142 л = 0,142 м³

Расчёт реактора идеального вытеснения (РИВ)

РИВ (реактор идеального вытеснения) - это аппарат, в котором отношение высоты реактора к его диаметру очень велико ( ?20 ). Питание и отвод продуктов осуществляется непрерывно.

Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора; обратное (продольное) перемешивание и перемешивание по сечению аппарата отсутствует.

Согласно проектному уравнению РИВ:

Вывод: сравнивая объёмы реакторов РИС-Н, РИВ и РИС-Н-К можно сделать вывод, что использование реакторов РИВ более целесообразно, так как при том же объёмном расходе его объём меньше (0,019 м³), чем у РИС-Н и РИС-Н-К. Следовательно он занимает меньше места, требует меньших энергетических затрат и так как в данном синтезе участвуют газы, которые диффундируют друг в друга и перемешиваются, так же в колонне можно установить тарелки с катализатором, через который будет проходить газ, следовательно РИВ лучше всего подходит для данного синтеза.

Произвольная схема соединения различных идеальных реакторов

Определить производительность по продукту реакции при заданной схеме соединения реакторов РИС-Н и РИВ (параллельное и последовательное соединение) и установить какая из схем соединения является наиболее эффективной.

Таблица 2.1. -- Исходные данные

Параллельная схема соединения РИВ и РИС-Н

Уравнения для РИС-Н:

Уравнения для РИВ:

Расход системы складывается из расходов по ветвям

Подставляем известные данные и рассчитываем концентрацию реагента на выходе:

Вычислим производительность по продукту C:

G_C = C_C •G_V,0 = (C_A,0 - C_A) • G_V,0=(3,0-1,321)•7,67•10^-4·60 =0,0772 кмоль/мин.

Последовательная схема соединения РИВ и РИС-Н

В данной схеме расход реагента в каждом реакторе равен общему расходу системы G_v1 = G_v2 = G_v

Рисунок 2.2.1 - Последовательная схема соединения РИВ и РИС-Н

Уравнение для РИВ:

Концентрация на выходе из РИВ равна 1,34 кмоль/м³

Уравнение для РИС-Н:

Концентрация вещества А на выходе из РИС-Н равна 0,96 кмоль/м³

Производительность по продукту С:

G_C = (C_A,0 - C_A,2) • G_V,0 = (3-0,96)•7,67•10^-4·60=0,094 кмоль/мин.

Последовательная схема соединения РИС-Н и РИВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3.1 - Последовательная схема соединения РИС-Н и РИВ

Уравнение для РИС-Н:

Концентрация вещества А на выходе из РИС равна 2,003 кмоль/м³

Уравнение для РИВ:

Решив это уравнение, получим С_А,2 = 1,0 кмоль/м³

Производительность системы равна

G_C = (C_A,0-C_A,2)•G_V,0 = (3,0-1,0)•7,67•10^-4•60 = 0,092 кмоль/мин

Вывод: рассмотрев различные способы соединения реакторов между собой, определили, что максимальная производительность при данных условиях получается при использовании последовательного соединения РИВ и РИС-Н 0,094 кмоль/мин. При последовательном соединении РИС-Н и РИВ производительность составляет 0,092 кмоль/мин. При параллельном соединении РИВ и РИС-Н - 0,0772 кмоль/мин.

Синтез газ, полученный на стадии газификации угля по технологии «Атгаз» поступает в смеситель 1, из которой направляется на подогрев до температуры реакции в подогреватель 2.

Синтез газ из подогревателя 2 подается в реактор 3. Процесс метанирования проводится в присутствии катализатора - железа, промотированного 0,5 % Н₂О, давлении 1,5 - 2,0 МПа, температуре 200 - 250 ⁰С. Реакция сильно экзотермична, часть теплоты используется для нагрева исходных реагентов в подогревателе 2, другая часть поступает в конденсатор 4. Полученная реакционная парогазовая смесь поступает в сепаратор 4а.

В конденсаторе 5 из реакционной парогазовой смеси конденсируется вода, затем смесь подается в сепаратор 5а для более полного удаления воды. Из сепаратора реакционная смесь подается в колонну 6 на извлечение циркуляционного водорода. Затем газовая смесь для очистки метана от СО подается в абсорберы 7 и 8. В качестве абсорбента используется медно-аммиачный раствор Cu(NH₃)₂, хорошо поглощающий СО. Также для этих целей можно применять жидкий азот.

Технологическая схема синтеза метана

Рисунок 3.2. Технологическая схема синтеза метана: (1 - емкость синтез-газа; 2 - подогреватель; 3 - реактор синтеза метана; 4 - холодильник; 5 - конденсатор; 6 - холодильник; 7 - колонна синтеза водорода; 8, 10 - абсорберы; 9 - насос)

Синтез газ, полученный на стадии газификации угля по технологии «Атгаз» поступает в емкость 1, из которой направляется на подогрев до температуры реакции в теплообменник - подогреватель 2.

Синтез газ из подогревателя 2 подается в реактор синтеза метана 3. Процесс метанирования проводится в присутствии катализатора - железа, промотированного 0,5 % Н₂О, давлении 1,5 - 2,0 МПа, температуре 200 - 250 ⁰С. Реакция сильно экзотермична, часть теплоты используется для нагрева исходных реагентов в подогревателе 2, другая часть поступает в холодильник 4. Полученная реакционная парогазовая смесь поступает в конденсатор 5.

В конденсаторе 5 из реакционной парогазовой смеси конденсируется вода, затем смесь подается в холодильник 6 для более полного удаления воды. Из холодильника 6 реакционная смесь подается в колонну 7 для отделения водорода. Затем газовая смесь для очистки метана от СО подается в абсорберы 8 и 10. В качестве абсорбента используется медно-аммиачный раствор Cu(NH₃)₂, хорошо поглощающий СО. Также для этих целей можно применять жидкий азот.

Выводы

В результате проведенных расчетов было установлено, что использование реакторов РИВ более целесообразно, так как при том же объёмном расходе его объём меньше (0,019 м³), чем у РИС-Н и РИС-Н-К.

При различных способах соединения реакторов максимальная производительность получается при использовании последовательного соединения РИВ и РИС-Н 0,094 кмоль/мин. При последовательном соединении РИС-Н и РИВ производительность составляет 0,092 кмоль/мин. При параллельном соединении РИВ и РИС-Н - 0,0772 кмоль/мин.

Список используемой литературы