Програмування розрахунку матеріального та теплового балансу процесу двохступеневої парової каталітичної конверсії метану під тиском потужністю 42 тис. т./рік з використанням програмного забезпечення ЕОМ

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вступ

Математичне моделювання хіміко-технологічних процесів використовується для вибору оптимальних режимів їх роботи, побудови автоматичних систем керування та обчислення оптимальних параметрів регуляторів. Структура системи регулювання та параметри регуляторів визначаються властивостями технологічного процесу як об'єкту керування. Завдяки цьому застосування ЕОМ для контролю процесу та його керування, а також створення математичних моделей для рішення важких технологічних задач збільшують усе більше значення ЕОМ [1].

В даний час природний газ використовується в основному в енергетичних цілях: теплові електростанції на природному газі найбільш екологічно чисті, пропанобутанова фракція застосовується в якості побутового палива, а також як пальне для автотранспорту. У невеликих кількостях метан використовують у металургійній промисловості як відновник. Однак ступінь хімічної переробки природного газу в цінні продукти залишається на низькому рівні, а значна частина попутного нафтового газу спалюється в факелах, що призводить до непоправної втрати цінної сировини і породжує складні екологічні проблеми в регіонах видобутку [2].

Конверсія метану є основним промисловим методом отримання водню і технологічних газів для синтезу аміаку, спиртів та інших продуктів. Відомі різні способи конверсії метану. Від методу конверсії залежать як технологічна, так і енергетична схеми виробництва аміаку в цілому. Для вибору оптимального варіанту необхідно знати склад конвертованого газу, його ентальпію і ексергію [3].

1.Загальні складові про роботу

Незважаючи на різноманіття наявних теоретичних можливостей перетворення метану, найбільший інтерес дослідників і виробників останнім часом привертають такі процеси:

1. отримання синтез-газу;

2. пряме каталітичне перетворення метану в етилен - окислювальна конденсація метану;

3. пряме каталітичне окислення метану в кисеньвмісні продукти - спирти і формальдегід.

У промисловій практиці одержали поширення наступні методи конверсії метану: каталітична конверсія і високотемпературна (некаталітичні) конверсія. За першим методом конверсію можна проводити в одну і дві ступені (відповідно одноступенева і двоступенева каталітична конверсія)[4].

Розробка процесу прямого каталітичного окислення метану в кисеньвмісні продукти почалася ще на початку XX століття. Незважаючи на те що цей процес термодинамічно можливий при атмосферному тиску і кімнатній температурі, досі не вдалося підібрати ефективні каталізатори. Тому в даний час цей процес проводять без каталізатора при високих тисках, однак виходи корисних продуктів невеликі. Отже, даний процес не є в даний час перспективним для промислової реалізації [2].

Каталітична конверсія метану

Каталітична конверсія метану може бути здійснена або в суміші метану з водяною парою, або в суміші метану з водяною парою і киснем.

У зв'язку з тим, що реакція конверсії метану з водяною парою сильно ендотермічна, для її здійснення потрібно підведення тепла. У промисловості цей процес проводиться в трубчастих печах. У труби пожежоміцної сталі завантажується нікелевий каталізатор, зовні труби обігріваються топковим газами. Такий метод конверсії знайшов застосування в тих випадках, коли потрібно отримати технічний водень з мінімальним вмістом азоту. Процес ведеться при температурі 800 - 850 °С на виході з шару каталізатора. До 1 м3 природного газу додають зазвичай 2-2,5 м3 водяної пари. Залишковий вміст, метану в конвертованій газі становить 1 - 2%.

Перевага цього методу полягає в тому, що для обігріву труб можуть бути використані будь горючі гази, у тому числі відходи виробництва. Недоліком цього методу є великі капітальні витрати на спорудження установок і необхідність використання високоякісних легованих сталей.

Якщо потрібно отримати суміш водню з азотом, наприклад для синтезу аміаку, метан конвертують сумішшю водяної пари і повітря, збагаченого киснем. Частина метану спалюють в реакційній зоні, в результаті виділяється тепло, необхідне для протікання ендотермічної реакції (1) взаємодії метану з водяною парою.

2СН4 + 2Н2О-4Н2+ СО2(1)

Процес ведеться в конверторах шахтного типу при температурі 800 - 900 °С. Залишковий вміст метану в конвертованому газі становить не більше 0,5%. В даний час азотоводневу суміш отримують в промисловості одноступеневої або двоступеневої конверсії метану [4].

Одноступенева конверсія метану. Залежно від схеми виробництва аміаку конверсія природного газу проводиться при дії на нього водяногопара і кисню або повітря, збагаченого киснем. Конверсія природного газу в присутності водяної пари і кисню застосовується в тих випадках, коли конвертований газ використовується або в синтезі метанолу та вищих спиртів, або у виробництві аміаку, в технологічній схемі якого передбачено визначення промивки газу рідким азотом.

Для отримання аміаку у виробництвах, що мають станцію мідно-аміачної очищення газу від окису вуглецю, застосовується конверсія метану з водяною парою і повітрям, збагаченим киснем. Процес конверсії метану здійснюється в апаратних шахтного типу на нікелевому каталізаторі при температурі 850 °С. Конверсія метану може відбуватися не тільки в присутності водяної пари і кисню, але і двоокису вуглецю по реакції (2). У цьому випадку конвертований газ має підвищений вміст окису вуглецю, що досить доцільно при синтезі метанолу та вищих спиртів. Шляхом зміни співвідношення водяної пари і двоокису вуглецю у вихідній газовій суміші можна змінити співвідношення водню та окису вуглецю в конвертованій газі до 3.

2Н2 + О2 > 2Н2О (2)

Двоступенева конверсія метану. У тих випадках, коли є дешеві джерела тепла для обігріву реактора, азотоводневої суміші для синтезу аміаку отримують методом двоступеневої конверсії природного газу. Останнім часом знаходять застосування вдосконалені трубчасті печі з подвійними трубами. Каталізатор міститься в кільцевомуперетині, утвореному внутрішньою і зовнішньою трубами. Гріючі гази подаються із зовнішнього боку зовнішньої труби. Природний газ разом з парою проходить через каталізатор зверху вниз, а отриманий конвертований газ - по внутрішній трубі знизу вгору. Така конструкція апарату дозволяє поліпшити умови теплопередачі і збільшити температуру в шарах каталізатора, не підвищуючи температуру стінок труб.

Нове в технології.

Фірма "Uhde" розробила нову технологію, в якій тепло технологічних газів, що виходять з вторинного риформінгу, використовується для проведення конверсії природного газу в первинному риформінгу, замість тепла, одержуваного при спалюванні паливного газу в пальниках печі.

Друга розробка фірми "Uhde" - це нова конструкція печі первинного риформінгу з нижнім розташуванням передавального колектора.

Комбінований автотермічний риформинг (КАР).

У новому процесі парового риформінгу відсутня піч первинного риформінгу з вогневим обігрівом. Для проведення парогазової конверсії природного газу використовується тепло технологічного газу, що відходить з реактора вторинного риформінгу. Основні стадії процесу:

- первинний каталітичний парової риформинг;

- часткове окислення;

- адіабатичний каталітичний парової риформинг (за бажанням);

- теплообмін.

Всі три (або чотири) стадії поєднані в одному апараті і через свою компактність він отримав назву "комбінований автотермічний реактор риформінгу" - КАР.

Для КАР характерні в основному три проблеми:

1. Введення окислювача в потік, що виходить з труб риформінгу, що забезпечує належне перемішування реагентів і достатній час перебування газів в камері часткового окислення.

2. Конструкція пристрою для посилення теплообміну з метою досягнення оптимальних температур і проблеми теплового розширення цих пристроїв.

3. Питання ефективного розміщення каталізатора вторинного риформінгу.

Трубчаста решітка, на якій тримаються всі труби, має шарувату конструкцію і служить для розподілу парогазової суміші по окремих трубках риформінгу. Процес парогазової конверсії первинного риформінгу протікає в трубках, заповнених каталізатором. Труби обігріваються газом, які повертаються з камери часткового окислення. Частково конвертований газ, що виходить з труб риформінгу, і окислювач надходять через форсунки в камеру часткового окислення. У цій камері вони підтримують загальний тепловий баланс процесу і забезпечують остаточний склад конвертованого газу (це у випадку, якщо відсутня стадія вторинного каталітичного риформінгу).

Для вирішення проблеми теплообміну застосована установка зовнішніх труб навколо кожної реакційної труби, що забезпечує наявність кільцевих просторів. Цим вирішуються всі проблеми теплопередачі і теплового розширення. Зовнішні трубки підвішуються до трубної решітці, а їх нижні кінці розташовуються в зоні помірних температур, так що вони не піддаються сильній напрузі.

Для вирішення першої проблеми слід всі потоки продуктів реакції подавати глибоко в зону часткового окислення після введення в них окислювача. В іншому разі не досягається ефективна конверсія метану.

Для процесу КАР важливо, щоб конвертований газ (що виходить з труб риформінгу) і окислювач, що входять в мертву зону камери часткового окислення, були добре перемішані і залишалися б у цій зоні до досягнення необхідних рівномірних температур і складу газу. Число і місце розташування форсунок для введення окислювача, їх розмір і напрямок вибираються так, щоб вони створювали вихровий потік в камері. Все це є предметом НОУ-ХАУ фірми.

Зона відносного загасання вихрового потоку в центрі його є тією зоною, де потік прямує в бік мертвого сектора камери, а повертається він по стінці. Тому газ надходить в зону труби виключно з периферії, тому відсутні вертикальні потоки вгору між виходами труб риформінгу.

На якість одержуваного газу, а також на витрату окислювача не впливає, чи проводилася реакція у вторинній зоні як часткове окислення, або застосовувався каталізатор вторинного риформінгу. Відбувається це через те, що тепловий баланс КАР можна регулювати шляхом утилізації тепла, що надходить із зони вторинного риформінгу, і шляхом подачі ендотермічного тепла в зону первинного риформінгу.

Основні відмінності при застосуванні каталізаторів вторинного риформінгу, що є НОУ-ХАУ фірми: - температура в зоні часткового окислення знижується на 2500С;

- в результаті менше стає потреба в теплі, а звідси і менше стає зона, необхідна для теплопередачі на стадії первинного риформінгу.

Відмінні особливості КАР.

1. Труби в трубних пучках можна встановлювати і знімати по одній.

2. Кожен пучок труб можна заглушити окремо від інших.

3. Кожен КАР може бути обладнаний відділенням вторинного риформінгу, а може бути і без такого.

4. Теплопередача в трубах риформінгу йде за рахунок конвекції із зустрічним потоком.

5. Вся система вільно розширюється без застосування будь-яких компенсаторів.

6. Труби риформінгу не відчувають ніяких навантажень від тиску системи і тому, щонайменше теоретично, очікується, що термін їх служби не обмежений.

7. Відсутні вхідний і вихідний колектори, пігтейлі, передавальний колектор, керамічний звід.

8. Відсутня паровий котел високого тиску, в який надходив би газ під тиском і температурою приблизно 10000С.

9. Відсутні вентилятори, конвекційна зона, труба.

10. Поверхня, що вимагає вогнетривкої покриття, скоротилася приблизно на 90%.

11. Скоротилася площа установки і витрати на будівельні і монтажні роботи приблизно на 90%.

Фірма "Uhde" поряд з розробкою КАР пропонує споживачам також варіант агрегатів з трубчастої піччю парогазової конверсії метану.

3. Опис технологічної схеми

Процес складається з декількох стадій: підготовки сировини, конверсії, утилізації тепла, очищення газу від СО2. При підготовці сировини слід мати на увазі, що нікелевий каталізатор чутливий до отруєння органічними сполуками сірки, зміст яких у вуглеводні обмежують величиною 1 мг сірки в 1 м3. Сировина, що не задовольняє цим умовам, потрібно очищати, для чого його піддають каталітичного гідрознесірчення з подальшим видаленням утворився сірководню. Стадія підготовки сировини включає також компримування газу (якщо це необхідно), змішання його з водяною парою і попереднє нагрівання суміші.

Вихідний метан, очищений, якщо це необхідно, від сірчистих домішок, стискають турбокомпресором 1 до 2-3 МПа і змішують з необхідною кількістю водяної пари і СО2. Суміш підігрівають в теплообміннику 2 до 400°С частково охолодженим конвертованим газом і подають в змішувач конвертора 6, куди надходить попередньо приготована суміш кисню з рівним об'ємом водяної пари. Конвертор охолоджується киплячим в сорочці конденсатом; при цьому генерується пар тиском 2-3 МПа, який відокремлюють в парозбірник 5. Тепло гарячого конвертованого газу, що виходить з конвертора при 800-900°С, використовують в котлі-утилізатори 4 для отримання пари високого тиску, що направляється потім у лінію пара відповідного тиску або використовуваного для приводу турбокомпресора. Тепло частково охолодженого газу утилізують для попереднього підігрівання суміші в теплообміннику 2 і в теплообміннику 3 для нагрівання водного конденсату, що живить котел-утилізатор. Остаточне охолодження газу здійснюють у скрубері 7 водою, що циркулює через холодильник 8.

Отриманий на цій стадії синтез-газ залежно від вимог до співвідношення СО і Н2 містить 15-45% (об.) СО, 40-75% (об.) Н2, 8-15% (об.) СО2, 0,5% (об.) СН4 і по 0,5-1% (об.) N2 і Аг. Цей газ очищають від СО2, для чого застосовують абсорбцію водою під тиском, хемосорбцію водним розчином моноетаноламіна або карбонату калію. При нагріванні і зниженні тиску відбуваються зворотні перетворення і виділяється СО2, а розчин регенерується:

(3.1)

(3.2)

Конвертований газ надходить в абсорбер 9, де поглинається діоксид вуглецю, а очищений газ направляють потім споживачеві. Насичений абсорбент підігрівається в теплообміннику 10 гарячим регенерованим розчином і надходить у десорбер 11, з низу якого абсорбент направляють через теплообмінник 10 знову на поглинання СО2 в абсорбер 9. Діоксид вуглецю з верху десорбера 11компримують до відповідного тиску і повертають на конверсію, змішуючи перед теплообмінником 2 з природним газом і водяною парою [5].

4. Розрахунок термодинамічних величин

Обираємо незалежні реакції для проведення розрахунків.

Табл.4.3 - Результати розрахунків:

каталітичний окислення метан

Будуємо графіки залежності термодинамічних показників від температури.

Матеріальний баланс

5. Тепловий баланс

Висновки

Завданням курсової роботи було здійснення математичного моделювання та програмування розрахунку матеріального та теплового балансу процесу двохступеневої парової каталітичної конверсії метану під тиском потужністю 42 тис. т./рік з використанням програмного забезпечення ЕОМ.

Для розрахунку матеріального та теплового балансів процесу двохступеневої парової каталітичної конверсії метану використовували програму MSExsel. Також для написання пояснювальної записки та створення алгоритму використовували програми MSWord та AutoCad.

ЛІТЕРАТУРА

1.Методичні вказівки до виконання курсової роботи для студентів за напрямком 051301 «Хімічна технологія та інженерія» / Склали: І.М. Глікіна, С.О. Кудрявцев. - Сєвєродонецьк: вид-во СТІ СНУ ім. В. Даля, 2012. - 40с.

2. А.Г. Аншиц, Е.Н. Воскресенская. Окислительнаякоденсацияметана - новый процесс переработки природного газа.

3. Сосна М.Х., Энтин Б.М., Лейтес И.Л. Нонограммы для определения состава гага конверсии метана // Химическая промышленность. - 1989. - №7. - с. 59.

4. Г.С. Яблонский. Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций. Элементы теории кинетики сложных химических реакций. Глава 1. В сб.: Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

5. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимическогосинтеза,-М.:Химия, 1988.-608с.

6. Краткийсправочникфизико-химических величин/ Подредакцией А. А. Равделя, А. М. Пономаревой.- Л.: Химия, 1983.-232с.

7. Фастовский В.Г. Метан - М.: Государственноенаучно-техническоеиздательствонефтяной и горно-топливнойлитературы, 1947. - 156с.

Размещено на Allbest.ru