Конверсия метана водяным паром
Особенности протекания процесса конверсии метана с водяным паром, его основные катализаторы. Механизм и кинетические уравнения конверсии. Влияние температуры и давления на равновесную степень превращения ацетилена в равновесную концентрацию винилхлорида.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.09.2014 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)"
Специальность Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов
Факультет Химической и биотехнологии
Кафедра Технологии нефтехимических и углехимических производств
Учебная дисциплина Общая химическая технология
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема "Конверсия метана водяным паром"
Студент
Киршин А.Д.
Руководитель
Н.В. Гуськова
Санкт-Петербург 2013
Содержание
- Введение
- 1. Аналитический обзор
- Процесс конверсии метана с водяным паром
- Особенности протекания процесса конверсии
- Основные катализаторы конверсии метана
- Механизм и кинетические уравнения конверсии
- 2. Основная часть
- Постановка задачи
- Основные обозначения, уравнения и исходные данные
- Влияние температуры и давления на равновесную степень превращения ацетилена и равновесную концентрацию винилхлорида
- Влияние температуры и давления на скорость и движущую силу реакции
- Зависимость степени превращения метана и равновесной концентрации водорода от соотношения метан-водяной пар
- Зависимость скорости протекания конверсии метана и движущей силы от соотношения метан-водяной пар
- Заключение
- Список использованной литературы
Введение
Конверсия метана - на данный момент основной источник водорода и других технологических газов, необходимых для синтеза аммиака. И вода и природный газ - относительно недорогое сырье, к тому же доступное практически повсеместно.
Конверсией метана с водяным паром, рассмотренной в данной работе, в отечественной и иностранной азотной промышленности получают различные технологические газы, содержащие водород, используемые, в частности, для синтеза аммиака.
Также конвертированием метана возможно получить и синтез-газ, который является сырьем для получения целого ряда предельных и непредельных углеводородов.
Однако, в связи с тем, что конверсия метана с водяным паром служит источником сырья для последующего синтеза других продуктов, процесс для понижения цены получаемого сырья должен быть наиболее дешев. Поэтому процесс целесообразно исследовать, для нахождения оптимальных условий его проведения.
1. Аналитический обзор
Процесс конверсии метана с водяным паром
Процесс конверсии метана с водяным паром используется в промышленности для получения водорода. Данный процесс можно представить в виде нескольких реакций:
СН4+Н2О>СО+3Н2ДH=206,4 кДж
СО+Н2О>СО2+Н2ДH=-41,1 кДж
При избытке водяного пара:
СН4+2Н2О>СО2+4Н2ДH=165,3 кДж
Как видно процесс является эндотермическим и для его проведения необходим подвод теплоты к реакционной смеси или проведение попутных реакций, идущих с выделением тепла. Для проведения автотермического процесса конверсии метана с водяным паром невозможно использование лишь его паровой конверсии, так как реакции паровой конверсии метана протекают с поглощением теплоты, поэтому используют технологии парокислородной или паровоздушной конверсии метана, основанные на использовании в качестве окислителей соответственно водяного пара и кислорода или водяного пара и воздуха. В случае использования данных технологий в процесс идет преимущественно по следующим реакциям:
СН4+0,5О2>СО+Н2ДH=-35,6 кДж
СО+Н2О>СО2+Н2ДH=-41,1 кДж
СН4+Н2О>СО+3Н2ДH= 206,4 кДж
Оба способа применяются в промышленности. Первый используется для производства безазотистого конвертированного, вторым способом производят конвертированный газ с достаточным для последующего производства аммиака колличеством азота (25%). [2]
Особенности протекания процесса конверсии
При проведении процесса конверсии метана с водяным паром реакция идет не только по реакциям, описанным в предыдущем разделе, также возможны и нежелательные реакции, например термическое разложение метана:
СН4>С+Н2
когда выделившийся углерод оседает на катализаторе это приводит к закупорке пор и проходов в нем - зауглероживанию катализатора, что не только не позволяет катализатору полность осуществлять роль катализа, но и повышает сопротивление реактора и аппарата в целом.
Чтобы избежать данного эффекта в промышленности конверсию проводят в присутствии нескольких катализаторов и необходимых для предотвращения термического распада метана окислителей.
конверсия метан водяной пар
И температура и давление и соотношение исходных реагентов в реакционной смеси оказывает большое влияние на протекание конверсииметана:
Как показано на приведенных выше графиках, понижение давления, повышение температуры и соотношения метан - пар увеличивается степень конверсии метана. Однако в промышленности для уменьшения экономических затрат давления повышают вплоть до 30 ат. [2] Чаще всего, как наиболее выгодную, используют технологию двухступенчатой конверсии метана, которая и будет рассмотрена далее.
Двухступенчатая конверсия метана проводится под давлением, что позволяет снизить количество энергии, затрачиваемой на сжатие конвертированного газа, объем которого намного больше объема исходной смеси, уменьшить габариты оборудования, упростить конструкцию азото-водородного компрессора. Далее приведена технологическая схема технологического процесса в азотной промышленности:
Природный газ сжимается в компрессоре 1 до 4,6 МПа, далее он смешивается с азото-водородной смесью (авс: газ = 1: 10) подается в огневой подогреватель 2, где нагревается от 130 - 140 оС до 370-400 оС сжигаемым метаном или другим горючим газом. Далее подогретый газ подвергается очистке от сернистых соединений в реакторе 3, где на алюмокобальтомолибденовом катализаторе проводится гидрирование сернистых соединений до сероводорода, который затем поглощается сорбентом в адсорбере 4, содержание сероводорода после этой стадии процесса не должно превышать 0,5 мг/м3.
Очищенный газ в соотношении 1: 3,7 с водяным паром направляется в зону трубчатой печи 12, далее размещены реакционные трубы 11 с катализатором конверсии метана и горелки в которых сжигается горючий газ, обогревающий трубы с катализаторами, затем теплота этих газов дополнительно используется в в конвекционной камере, где расположены подогреватели парогазовой 10 и паровоздушной 9 семесей, перегреватель пара высокого давления 8, подогреватели питательной воды высокого давления 7 и природного газа 6.
Парогазовая смесь нагревается в подогревателе 10 до температуры 525аоС и затем под давлением 3,7 МПа равномерно распределяется по большому числу труб, заполненных катализатором. Выходящая из предыдущей зоны реактора газовая смесь содержит 9-10% метана и при температуре 850оС подается в конвертор метана II (ступень 13) - реактор шахтного типа. В его верхнюю часть компрессором 19 подается воздух, нагретый до 480-500 оС в конвекционной части печи. Парогазовая и паровоздушная смеси поступают в реактор раздельными потоками, требуемыми для почти полной конверсии метана. И получения газа с соотношением СО+Н2: N2 = 3,05: 3,10.
Содержание водяного пара в соответствует соотношению пар: газ = 0,7:
1. При температуре 1000 оС газ направляется в котел утилизатор, где охлаждается до 380-400 оС и идет в конвертор СО I, где на железохромовом катализаторе идет конверсия основного количества СО водяным паром, выходящая из реактора водяная смесь содержит примерно 3,6% СО. В паровом котле 16 парогазовая смесь тоже охлаждается и подается при температуре 225 оС в конвертор СО IIступени, где находится низкотемпературный катализатор, и содержание угарного газа понижается еще до 0,5% Конвертированный газ на выходе из конвертора имеет следующий процентный состав: Н2 - 61,7; СО - 0,5; СО2 - 17,4; N2+Ar - 20,1; СН4 - 0,3.
Основные катализаторы конверсии метана
Без применения катализатора скорость взаимодействия метана с водяным паром очень мала. Наибольшей активностью в процессе конверсии метана обладают никелевые катализаторы на носителе - глиноземе (Al2O3). Их выпускают в виде таблетированных и экструдированных колец Рашига. Катализатор марки ГИАП имеет следующий состав: 25% NiO, 57% Al2O3, 10CaO, 8% MgO.
Срок службы катализаторов в процессе конверсии мета составляет от трех и более лет. Активность катализаторов снижается из-за воздествия различных ядов, которые отравляют их.
Никелевые катализаторы особенно подвержены воздействию соединений серы, которые образуют с ними сульфиды никеля и его гомологи, которые, в свою очередь, совершенно неактивны по отношению к конверсии метана.
Отравленные серой никелевые катализаторы можно восстановить пропусканием через реактор чистого газа при определенных температурных условиях. Зауглероженные катализаторы регенерируются водяным паром. [1]
Механизм и кинетические уравнения конверсии
Реакция конверсии метана с водяным паром эндотермическая, ее тепловой эффект равен ДrH°298=206,33 кДж/моль. При обычной температуре равновесие реакции практически полностью смещено в сторону образования исходных веществ и ее скорость крайне мала. [3]
Механизм реакции конверсии метана водяным паром на никелевом катализаторе следующий:
СН4+Z-ZCH2+H2
ZCH2+H2O-ZCHOH+H2
ZCHOH-ZCO+H2
ZCO-Z+CO
Зависимость константы равновесия от температуры:
(1)
Уравнение скорости реакции выглядит следующим образом:
(2)
(3)
где Pi - парциальные давления газов;
k1 - константа скорости;
K - константа равновесия [5].
2. Основная часть
Постановка задачи
Цель: Изучить особенности протекания процесса конверсии, подобрать оптимальные параметры процесса.
Задачи: Проанализировать влияния давления температуры и соотношения метан - водяной пар на равновесную степень превращения и равновесную концентрацию продукта, движущую силу и скорость конвнрсии метана водяным паром.
Основные обозначения, уравнения и исходные данные
В работе использованы следующие обозначения:
a, b, c, d - стехиометрические коэффициенты уравнения реакции конверсии метана;
DC - движущая сила;
Kp - константа равновесия реакции конверсии метана;
NNS - начальное количество смеси реагентов, моль;
NKS - конечное количество смеси реагентов, моль;
P - давление, Па;
R=8,31 - универсальная газовая постоянная, Дж/ (моль·К);
T - температура, K;
u - скорость реакции конверсии метана, моль/ (м3·с);
XEA - равновесная степень превращения метана;
XA - степень превращения метана;
ZA - мольная концентрация метана;
ZNA - начальная мольная концентрация метана;
ZB - мольная концентрация водяного пара;
ZNB - начальная мольная концентрация водяного пара;
ZC - мольная концентрация угарного газа;
ZNC - начальная мольная концентрация угарного газа;
ZEC - равновесная мольная концентрация угарного газа;
ZD - мольная концентрация водорода;
ZND - начальная мольная концентрация водорода;
ZED - равновесная мольная концентрация водорода;
Основные уравнения:
|
(5) |
||
|
(6) |
||
|
(7) |
||
|
(8) |
||
|
(9) |
Уравнение для расчета скорости реакции задано формулой (2).
Константа равновесия реакции расчитывается по формуле (1).
Влияние температуры и давления на равновесную степень превращения ацетилена и равновесную концентрацию винилхлорида
Так как конверсия метана водяным паром процесс эндотермический и идет с поглощением теплоты ДH= 206,4 кДж, при нагреве реакционной смеси по принципу ЛеШателье - Брауна равновесие будет смещаться в сторону продуктов реакции, а степень превращения метана будет увеличиваться
Построим график зависимости степени превращения метана от температуры, примем Р=1 ат, и интервал температур 600ч1400оС.
Рисунок 1 - зависимость степени превращения метана от температуры.
Теперь построим график зависимости равновесной концентрации водорода от температуры при тех же условиях.
Рисунок 2 - зависимость равновесной концентрации водорода от температуры.
Из зависимостей равновесной степени превращения метана и равновесной концентрации водорода от температуры видно, что для достижения наибольшей полноты протекания реакции следует проводить ее при относительно высоких температурах. При температурах выше 1100оС равновесная концентрация водорода и степень превращения метана возрастают не значительно, и следовательно дальнейшее повышение температуры нецелесообразно, так как ведет только к повышению экономических затрат.
Рассмотрим зависимость равновесной концентрации водорода и степени превращения метана от давления. Процесс конверсии метана водяным паром идет с увеличением объема реакционной смеси, следовательно повышение давления будет смещать равновесие в сторону исходных веществ.
Построим зависимости равновесной концентрации водорода и степени превращения метана от давления от давления. Примем интервал значений давления 1ч15 ат и температуру Т=950оС.
Рисунок 3 - зависимость степени превращения метана от давления.
Рисунок 4 - зависимость равновесной концентрации водорода от давления.
Из зависимостей равновесной степени превращения метана и равновесной концентрации водорода от давления видно, что увеличение общего давления приводит к уменьшению полноты протекания реакции. Следовательно увеличение давления не целесообразно для повышения выхода водорода при конверсии метана водяным паром.
Влияние температуры и давления на скорость и движущую силу реакции
Проанализируем влияние давления и температуры на скорость и ДС. В нашем случае реакция проходит вдали от равновесия, поэтому при увеличении температуры скорость реакции будет возрастать, что подтверждается зависимостью скорости реакции от температуры.
Рисунок 5 - зависимость скорости реакции от температуры
Как видно из графика при повышении температуры скорость возрастает и поэтому процесс целесообразно проводить при высоких температурах, однако это может повлечь за собой увеличение стоимости и сложности технологического оборудования.
Теперь рассмотрим влияние давления на скорость реакции. Из уравнения приведенного в аналитическом обзоре в результате нескольких математических преобразований можно получить следующее:
Откуда видно, что скорость зависит от давления линейно. График зависимости выглядит следующим образом:
Рисунок 6 - зависимость скорости конверсии метана от давления
Теперь рассмотрим зависимости движущей силы от температуры и давления. Уравнение для ДС может быть выведено из уравнения для скорости реакции.
Из формулы видно, что ДС не зависит от температуры и будет уменьшаться с увеличением давления
Рисунок 7 - зависимость ДС от давления.
Исходя из сказанного выше, можно заявить, что реакцию целесообразно проводить при высоких давлениях и температурах. А на производственных предприятиях процесс конверсии метана и проводится при повышенных температуре и давлении.
Зависимость степени превращения метана и равновесной концентрации водорода от соотношения метан-водяной пар
По принципу ЛеШателье - Брауна увеличение концентрации исходных веществ приводит к смещению равновесия в строну продуктов реакции.
Рисунок 8 - зависимость равновесной степени превращения от соотношения мета - водяной пар.
Соответственно при добавлении в реакционную смесь водяного пара, не вся вода сможет вступить в реакцию и при увеличении количественного выхода водорода, его концентрация в равновесной смеси уменьшится:
Рисунок 9 - зависимость равновесной концентрации водорода от соотношения метан - водяной пар.
Зависимость скорости протекания конверсии метана и движущей силы от соотношения метан-водяной пар
Из уравнения скорости следует, скорость конверсии метана будет увеличиваться до того момента, пока ZAне станет настолько мало, что знаменатель дроби при увеличении соотношения не станет расти быстрее числителя. Аналогичную зависимость будет иметь и ДС, так как Р и Т остаются неизменными.
Рисунок 10 - зависимость скорости конверсии метана от соотношения метан - водяной пар.
Зависимость ДС от соотношения метан - водяной пар.
Заключение
Исходя из всего вышесказанного реакцию конверсии метана следует проводить при высоких температуре и давлении для увеличения скорости реакции и смещения равновесия в сторону продуктов. И небольшом соотношении количества метана к воде для увеличения степени превращения метана при увеличении расхода дешевого сырья - воды.
Список использованной литературы
1. А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. Общая химическая технология - М.: Высшая школа, 1985.
2. П.А. Симулин, Е.А. Мельников. Справочник азотчика. М: Химия.
3. В.И. Атрощенко. Технология связанного азота. М: Химия, 1968.
4. В.В. Веселов А.А. Шевель. Научные основы каталитической конверсии углеводородов. Киев: Наукова думка. 1977.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Технология переработки природного газа. Реакция паровой конверсии монооксида углерода - следующая стадия в схеме получения водорода после конверсии метана. Состав катализатора низкотемпературной конверсии, обеспечивающий оптимизацию температурного режима.
курсовая работа [704,8 K], добавлен 16.12.2013Процесс совместного получения хлорметанов в реакторе со стационарным или псевдоожиженным слоем катализатора. Технологическая схема процесса хлорирования метана. Составление материального баланса процесса. Технологические, технико-экономические показатели.
реферат [27,4 K], добавлен 25.08.2010Назначение, устройство, составные части и принцип действие комплекса "Метан" как самостоятельной газовой защиты шахты. Проверка работоспособности оборудования. Измерение метана в атмосфере и срабатывание аппаратуры при превышении концентрации метана.
лабораторная работа [569,6 K], добавлен 15.10.2009Каталитическое сжигание метана. Поиск методов снижения концентрации оксидов азота. Условия приготовления и исследование физико-химических характеристик палладиевого и оксидного катализаторов, нанесенных на ячеисто-каркасный металлический носитель.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 19.12.2011Подогрев нефти острым (открытым) паром. Применение циркуляционного подогрева. Конструкции и расчет подогревателей. Устройства разогрева нефтепродуктов. Обогрев открытым острым паром. Напорное циркуляционное перемешивание, используемый теплоноситель.
реферат [20,6 K], добавлен 11.11.2013Описание шлаков, фосфорной кислоты и побочных продуктов, которые являются отходами цветной металлургии. Влияние температуры и продолжительности на степень превращения хлорида цинка. Характеристика оптимального режима при использовании хлорида железа.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.12.2017Преимущества и недостатки применения нагревания "острым" паром и дымовыми газами. Расход "глухого" пара при непрерывном нагревании. Технология нагревания промежуточными теплоносителями и электрическим током. Особенности процесса и способы выпаривания.
презентация [390,5 K], добавлен 29.09.2013Тепловая обработка консервов в аппаратах, предназначенных для стерилизации паром без противодавления. Распределение температуры внутри банки. Стерилизация с противодавлением. Полуавтомат-стерилизатор "Атмос". Устройство аппаратов непрерывного действия.
реферат [29,3 K], добавлен 27.11.2013В производстве автомобильных бензинов наблюдается тенденция к повышению их октанового числа. Сырье, продукты, катализаторы процесса алкилирования. Механизм алкилирования изобутана бутиленом. Метод определения давления насыщенных паров бензинов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.06.2008Особенности технологии производства этанола методом сернокислотной гидратации. Составление материального баланса процесса. Произведение расчета показателей пропускной способности установки, конверсии этилена и коэффициентов выхода на поданное сырье.
курсовая работа [377,9 K], добавлен 25.08.2010Понятие и виды ликвации; причины возникновения и способы устранения. Методика измерения ударной вязкости. Составление диаграммы состояния железо-карбид железа. Механизм бейнитного превращения. Влияние температуры на изменение структуры и свойств стали.
контрольная работа [434,2 K], добавлен 03.09.2014Промышленные методы получения винилхлорида. Принципиальная схема прямого хлорирования этилена и ректификация дихлорэтана. Блок-схема получения винилхлорида из этана. Годовая производительность винилхлорида. Расчет на прочность корпуса, стенки обечайки.
курсовая работа [287,3 K], добавлен 11.05.2012Рассмотрение целей и задач материаловедения. Кавитация как образование в жидкости полостей, заполненных паром. Особенности определения параметров, влияющих на процессы диспергирования и кавитационного разрушения. Виды эрозионного разрушения материалов.
реферат [75,8 K], добавлен 05.12.2012Теоретические основы процесса ректификации, их методы расчетов и виды колонн ректификации. Проектирование стадии ректификации винилхлорида производительностью 300000 т/год по готовому продукту. Характеристика опасных и вредных производственных факторов.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 16.01.2014Сущность комбинированного и сбалансированного методов получения винилхлорида. Каталитическое гидрохлорирование ацетилена. Технология получения дихлорэтана путем прямого хлорирования. Классификация вторичных энергетических ресурсов промышленности.
курсовая работа [548,0 K], добавлен 30.04.2012Понятие пиролиза как превращения органических соединений в результате их деструкции под действием высокой температуры. Пиролиз углеводородов, выход основных продуктов. Конструкция печей, сырьевая база. Особенности пиролиза древесины и угля, копчение.
реферат [51,9 K], добавлен 26.11.2012Цель изомеризационных процессов в нефтепереработке - улучшение антидетонационных свойств авиационных и автомобильных бензинов. Сырье для процесса изомеризации. Механизм изомеризации, катализаторы и основные параметры. Технологический расчет аппарата.
курсовая работа [638,8 K], добавлен 26.09.2013Окисление этилена с целью производства этиленоксида как одно из крупнотоннажных производств нефтехимической промышленности. Кинетические уравнения процесса окисления этилена. Зависимость основных показателей процесса окисления от времени реакции.
лабораторная работа [442,8 K], добавлен 19.10.2015Краткая характеристика предприятия, оценка его места на рынке и направления деятельности. Снабжение комбината электроэнергией, паром, водой, сжатым воздухом. Кадровый потенциал, производительность и оплата труда. Направления использования реечных щитов.
дипломная работа [468,2 K], добавлен 27.04.2016Основные стадии и назначение процессов химико-термической обработки металлов, факторы, влияющие на скорость их протекания. Степень влияния температуры и состава среды на ХТО. Порядок определения зависимости между величиной зерна и скоростью диффузии.
реферат [62,9 K], добавлен 28.10.2009
